為什麼SMT工程師不喜歡有雙面BGA的PCB設計?BGA各種孔洞的型態與可能原因

為什麼SMT工程師不喜歡有雙面BGA的PCB設計?

一般來說只要有在SMT生產打滾過的工程師,他們大多不喜歡生產有雙面BGA設計的PCB,因為板子上有BGA的存在本身就已經不太容易生產了,而雙面都有BGA設計的板子又比只有單面BGA設計的PCB更容易產生不良品。

有不良品就意謂著有無窮無盡的改善得做,而且BGA重工通常費時又費勁,重工後還不一定就可用,你說有那個SMT工程師犯傻了。







那為什麼雙面BGA的PCB較容易出現不良品呢?

正常情況BGA零件通常會被安排在第二面才過Reflow,這是為了避免第一面Reflow的缺點在第二面Reflow時被放大,這些缺點包含BGA焊球孔洞(void)比率增加、HIPWNO空假焊比率增加、焊點脆化、BGA零件掉落等主要問題,次要問題是雙面BGA的板子維修不易。

二次回焊後BGA焊球孔洞(void)比率增加

一般認為是這因為二次回焊時,BGA錫球可能重新熔融,讓原本散布於BGA內的許多細小孔洞(micro-void)有機會重新聚集成為一個較大的孔洞(void),當錫球的Void越大,就表示錫球的可靠性越差,IPC-7095內有規定孔洞不得大於一定的百分比,因為一旦產品受到落下、振動等外力影響時有孔洞的錫球斷裂機率就越高。

Type of solder voids (BGA各種空洞型態)

BGA錫球的孔洞(void)可不僅僅是那些肉眼可以看到的而已,有專家針對BGA錫球的孔洞分成了下列幾類:

  • Marco Voids:就是錫球中比較大的孔洞,一般為錫膏中助焊劑揮發的氣體所形成,錫膏中真正用作焊錫的錫粉其實只佔了50%的體積,剩下的50%為助焊劑。錫球越大則可能形成的孔洞就越多。
    想多了解錫膏與助焊劑可以參考這篇文章《介紹並認識【錫膏(solder paste)】的基本知識(含助焊劑)》。

  • Planar Micro-voids:一般出現於SMD(Solder-Mask-Defined)的板子,因為錫膏有機會印刷於防焊層,防焊層與焊墊之間的高度差與防焊表面粗糙度所形成的孔洞。
    這種平面微孔洞(planar micro-voids)經常出現在焊點和PCB的銅箔層之間,其主要原因是由於PCB的表面處理(surface finishes)不夠細緻,在表面處理與銅箔之間留下了一些微小的孔洞(cave),在回流焊的高溫過程中小洞內的空氣被加熱膨脹撐大以致形成空洞。這種空洞最常出現在ImAg表面處理的板子上。

  • Shrinkage Voids:錫球外壁在冷卻過程中所形成的小裂痕,一般出現在SAC的錫膏或錫球中。

  • Micro-Via Voids:通常是在via-in-pad的焊墊/焊盤上所形成的孔洞,特別是半盲孔,因為錫膏印上去時將空氣限縮在半盲孔中。
    另外即使via有填孔,但是填孔後的dimple太大也有形成氣孔。
    曾經看過文獻說使用樹脂填孔後鍍銅的via-in-pad,因為其填孔密實度可能存在縫隙,在加上如果鍍銅太薄或存在微小破孔,在回焊的過程中就可能將填孔縫隙中的空氣給逼進錫球中密封。

  • InterMetallic Micro-voids:IMC層長時間或多次熱循環後老化形成於IMC附近的孔洞。

  • Pinhole Micro-voids:這類孔洞一般出現在IMC層,可能原因為電路板上金屬層原本的細小孔洞所形成。

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目前應該是無法完全避免BGA錫球孔洞(voids)的發生,不過可以在回焊爐內加氮氣(N2)來增加焊錫的潤濕性並降低錫球孔洞的發生率。

二次回焊後,焊點脆化,承受落摔能力變差

這個應該是屬於信賴度的問題,而且屬於不可逆的反應,更甚的這一般在製造工廠是測試不出來的。

這是因為每經過一次Reflow就是對焊錫的再一次加熱,而每一次的加熱都會讓IMC層變得更厚,也就是老化,銅基地的IMC (InterMetallic Compound) 還會從原本的良性Cu6Sn5轉變為劣性的Cu3Sn。不論是哪種金屬基地的PCB,當IMC變得越來越厚,就表示焊錫變得越脆,也越無法承受落下時的衝擊力。

可以把IMC想像成磚塊間的水泥,不同的磚塊分屬不同的金屬,其間必須形成類似水泥的IMC才能互相連接在一起,如果水泥層越厚(IMC層越厚),當磚塊承受到推拉應力時,就越容易從水泥層斷裂,在焊接中就是IMC層。

想進一步了解IMC請參考【PCB焊接強度與IMC觀念】一文。

BGA零件於第二面回焊時掉落的風險

正常情況下打在第一面的BGA零件應該不至於在第二面過爐時掉落到回焊爐內的,工作熊打過ARM CPU也沒有掉件過,不過如果有重量比較重的BGA就難說了。

不過看網路上偶而還是會有網友會提問,如果有看文的朋友有實際發生的案例可以提出來一起討論。

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如果無法避免雙面BGA的設計出現,那有沒有什麼比較好的建議可以降低其風險呢?

老實說工作熊還未發現有這方面的工業標準,不過根據以上篇幅說明雙面BGA的缺點,工作熊有以下的建議:

  • 盡可能少放BGA零件於第一面Reflow。
  • 將重量比較輕、尺寸比較小、錫球pitch比較大的BGA設置在第一面。
  • 將比較重要的BGA零件(如CPU)設置在第二面Reflow。
  • 盡量不要將BGA零件設置於PCB的正中心,因為正中心通常是PCB變形最嚴重的位置。

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訪客留言內容(Comments)

可以使用載具..將第一面的BGA 向下放置 但載具要封 這熱量會比較少

另外POP的千萬不可放在第一面生產

如果你做storage 类产品,比如SSD,你会发现所有的产品都是双面BGA,而且每side 10几颗。。

工作熊,想請教一下planar micro void 形成的主要原因及如何解決?目前做產品的確在SMD有觀察到但是不理解具體原因。謝謝!
“因為錫膏有機會印刷於防焊層,防焊層與焊墊之間的高度差與防焊表面粗糙度所形成的孔洞。”

Mark,
planar micro void不是你想的那樣,我之前應該也理解錯了,所以做了更正。
建議你把你的問題點在描述清楚一點,可以的話把照片放到Facebook上討論會更容易讓人理解你的問題點。


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