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《Youtube》PCB的SMD與NSMD焊墊設計哪種較能減少BGA焊接氣泡產生？
我們這次來聊一個關於PCB焊墊設計是否會影響到BGA焊接品質的工程問題。論壇上有網友詢問BGA焊點過完回焊爐後發現有氣泡產生，到底SMD與NSMD焊墊設計的哪一種表現會比較好呢？
在正式進入討論以前，工作熊想先來閒聊一下，不知道大家有沒有發現，現在的滑鼠好像越來越不耐用了？我最近就遇到這樣的問題，新買的L牌滑鼠用了不到半年，按鍵就開始出現連點的問題，本來我也沒有太在意，反正滑鼠壞了就換新的，也不是很貴，但神奇的是，我這次買了好幾隻滑鼠，結果前後都用了不到半年，它們居然就陸陸續續開始出現連點！這就讓我有點受不了了。
於是，我就開始在網路上搜尋解決的方法，結果發現還真的有一堆人在YouTube上分享《如何更換滑鼠的微動開關延長其壽命》的功法。但說真的，拆滑鼠不難，問題是換微動開關(micro-switch)就沒那麼簡單了。如果沒有適當的吸錫工具，要拆下微動開關還真的有點給它麻煩。後來我在PTT上看到有人分享一個妙招，只要在微動開關作動的兩隻引腳之間，接上一顆0.1uF(法拉)~1.0uF(法拉)的濾波電容，就是比較靠近微動開關正面白色或藍色按鈕的那兩隻腳，這樣就能增加按鍵的debounce time，減少因為抖動而產生的連點問題。
到文章發表為止，我已經在三隻滑鼠上面各焊接了一顆0.1uF的陶瓷電容！效果還不錯，用起來一切正常，也沒有再出現連點的問題。如果你也碰到了同樣的問題，不妨自己試看看，當然，如果你用的是一隻只有NT200塊錢的滑鼠，就直接換一隻新滑鼠就好了。
現在我們就正式進入今天的主題吧！
這是論壇上一位網友提出來的問題，問題有點長，所以我就稍微潤飾了一下，使其可以更容易理解，網友問到：
“我知道，PCB的焊墊設計大致分成SMD與NSMD兩種不同方式。對於BGA焊點過回焊爐後的氣泡產生，個人很想知道，哪一種焊墊設計的表現會比較好？於是我自己查了一些資料，網路上的說法普遍認為NSMD焊墊設計更有利於焊接時氣體的排出。然而，我也查閱了耿明老師編著的《電子組裝的可製造性設計》一書，裡面卻明確提到，「在無鉛焊接中，SMD 焊墊設計有利於氣體的排出，可以減少空洞現象」。這不禁讓我覺得非常矛盾，這兩種說法到底哪個才是對的呢？
根據我的經驗，在PCBA的實際生產中，我們經常會在同一顆BGA的焊墊上同時看到有SMD和NSMD兩種設計存在。實際觀察發現，NSMD焊點回焊後的氣泡產生確實會稍微小一些。而最近我們遇到了一個具體問題：我們有一款產品，BGA的錫球間距是0.4mm，焊墊是SMD設計。回焊爐後，有時候因為焊點內的氣泡過大，導致焊點膨脹，甚至短路。所以，我就想到，或許可以將焊墊改成 NSMD 設計會好一些，但又怕沒有充分的理論支持，希望大家可以給予指教。”
以上是這位網友所提出的問題，內容雖然有點長，但歸結其問題，不外乎下面兩個重點：
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BGA焊接後產生氣泡，吹脹錫球，導致與鄰近的錫球短路。
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PCB的焊墊設計分成SMD與NSMD兩種，這位網友想要知道哪一種焊墊設計比較不會在BGA錫球內產生氣泡。
我們先來看看論壇上面，網友們針對這個問題的看法與意見好了，之後再來說說我自己對這個問題的看法，當然我也有參與這個問題的討論。
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大多數的網友都認為NSMD焊墊設計在BGA發生的氣泡要比SMD來得少。
》》這一點與工作熊的經驗符合。後面我會再做更詳細的說明。
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有網友說，這麼小的BGA，他們一般是不允許在零件底部及附近位置，設計有大面積的銅皮與絲印框，因為它們會影響PCB的表面平整度，導致錫膏印刷量不穩。至於原理，這位網友則不甚清楚。另外，BGA鋼板開成圓孔會比方孔更穩定一點。
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後來有一位比較有經驗的網友跳了出來，幫忙回答了第二位網友的問題。說明絲印問題是需要依據BGA的引腳間距來考慮的。引腳間距比較小的BGA，阻焊厚度對其焊接影響就會比較大，所以多數建議NSMD焊墊，最好連BGA的絲印框都不要印出來，如果是那種需要焊墊尺寸相同的設計，則焊墊不可以設計在大銅皮上；如果是引腳間距比較大的BGA，阻焊厚度的影響相對較小，可以考慮使用SMD焊墊設計，因為其裸露出來的焊墊尺寸會比較穩定，而且還比較能防止焊墊從PCB脫落的問題。
以上是網友們提供的一些比較有意思的建議，不過~好像並沒有真正回答到這位苦主問題的核心。
下面工作熊來說說自己對這個問題的看法吧。
在討論開始之前，我們還是得花一點時間先解釋一下什麼是SMD和NSMD焊墊設計，免得有些朋友聽得一頭霧水。其實，SMD和NSMD是兩個英文縮寫，分別代表 Solder Mask Defined 和 Non-Solder Mask Defined。它們主要用來區分 PCB 上焊墊的形狀和大小是由銅箔來定義，還是由防焊層（也就是我們俗稱的「綠漆」）來定義。
簡單來說，SMD（防焊定義焊墊）就是靠防焊層的開孔來決定焊墊的形狀和範圍，也就是防焊會覆蓋在銅箔的上面，防焊上面開了多大的孔，就裸露出來多大的焊墊；而 NSMD（非防焊定義焊墊） 則是靠裸露的銅箔部分來定義焊墊的大小，所以，防焊的開孔會比焊墊大。因此，有時候NSMD也被叫作「銅箔定義焊墊」。如果你想要進一步了解什麼是SMD與NSMD，可以參考下面工作熊以前寫過的幾篇部落格文章與YouTube影片：
關於前面網友回答說：「絲印會造成錫膏量印刷不穩的問題」，我以前工作的時候確實有碰到過類似的問題，這是因為絲印的厚度會頂起鋼板，增加了鋼板與PCB表面的貼合間隙，也就增加了印刷的錫膏量。不過我碰到的狀況是第一供應商與第二供應商所提供的PCB絲印厚度不一致所造成的，一些對錫膏量比較敏感的零件，比如fine-pitch或是0201尺寸以下的零件可能得多加留意。如果PCB只有一家供應商，這種問題應該比較容易控制，只需要針對錫量印刷較多的焊墊縮小鋼板的開孔就可以了。不過比較好的方法應該是要統一定義絲印的厚度，免得那天PCB供應商自己心血來潮變更了絲印厚度，或是我們那天換了一家新的PCB廠，同樣的問題又會再重新上演一次。
建議延伸閱讀：
至於大面積銅皮可能造成錫膏量印刷不穩的問題，個人覺得這應該與絲印類似，這個問題應該比較容易出現在有銅皮與沒有銅皮交接的位置，只不過，銅皮對錫膏量的影響應該是固定的，因為PCB設計的時候就會規定使用銅皮的重量，也就是厚度，不同板廠生產出來的銅皮厚度基本上也比較一致，只要針對該PCB做鋼板開孔的調整就可以解決。
另外，NSMD 無法設計在大銅皮上，因為NSMD為銅箔限定。
好了，以上是工作熊對論壇上熱心網友們所回答問題的一些個人看法。
下面我們就來針對苦主的問題來提供一些個人看法了，苦主說[耿明老師在《電子組裝的可製造性設計》一書中提出：「SMD焊墊在無鉛焊接中有利於氣體的排出」，老實說，工作熊自己真的沒有看過這本書，所以也無從知道這結論是如何下的，不過這結果與大部分實作的結果不太一致，推測這可能是基於某些特定製程工藝和材料組合下的實驗結果。如果可能的話，建議苦主可以提供該文章的理論根據與詳細內容，要是可以一併提供苦主公司的氣泡照片則會更好判斷。
正常來說，NSMD焊墊沒有防焊層覆蓋，會暴露出焊墊周圍的垂直銅面，提供了更大的焊錫潤濕面積。這種設計可以讓焊料更自由地流動和擴展，應該有助於氣體排出，因此在焊接過程中NSMD焊墊設計，應該更容易減少氣泡的生成。而且大多數研究和實際經驗表明，NSMD設計在改善焊點品質和減少空洞方面有明顯的優勢，特別是在BGA封裝的焊接中。
另外，基於苦主提到【0.4mm間距的BGA，焊墊為SMD設計，爐後偶有因為焊接氣泡導致焊點變大形成短路情況】，這種情形應該是無法藉由變更SMD與NSMD焊墊設計來獲得大幅改善的，只能說這兩種焊墊設計對氣泡的改善效果差異甚微。而一般會造成BGA錫球吹氣、中空、脹大，通常是焊墊下面有導通孔填孔設計所導致。一個可能原因是dimple太大了，另一個原因則是使用樹脂塞孔，加熱時氣體會從dimple或是樹脂塞孔中逸出而導致氣泡。
苦主在看過工作熊的回復後，有了互動，而且還附上許多照片與資料，這種友好互動感覺很不錯的啊！值得鼓勵。我們當然也得用心地回答問題~
《苦主回復》
苦主不僅提供了短路的X-Ray照片，也提供了空板的照片，還提供了該BGA的一些尺寸規格，而且連耿明老師在《電子組裝的可製造性設計》一書中關於SMD焊墊在無鉛焊接中有利於氣體排出]的證據都提供了。
苦主補充說明，從實物上他無法判定PCB的焊墊上是否有導通孔塞孔，鋼板的厚度為0.08mm，開孔為0.21mm方形導圓角，PCB厚度為0.7mm，沒有使用過爐載具，回焊爐的恒溫區大約88秒，溫度峰值為247˚C，回焊時間約60秒，焊接後氣泡在8%以下，雖然未保存當時的相關圖片，但是有測量爐溫，而且觀察焊點呈現圓潤。此晶片的型號為TCS4525是一款WCSP20的封裝，在規格書上沒有找到該錫球直徑資料，但是通過貼片程式查看，該物料的錫球尺寸為0.28mm，板子上的其他0.4mm間距的錫球直徑則只有0.24mm，這個尺寸比鋼板開孔尺寸明顯大了不少，應該也是氣泡產生的一個原因。此鋼板有做過優化，優化前開孔為0.25mm，短路的比例非常高，當時確實沒注意過是否是因為氣泡所導致的，就直接開新鋼板做了縮孔處理
《工作熊進一步回饋》
看到苦主這麼配合且提供更多的資訊，我們當然得給予鼓勵。以下是工作熊根據新的資訊所提出的進一步的回答。
不過我還是得強調一下，這只是我個人的觀點，內容或許會有偏誤，須酌情服用。
SMD焊墊設計的銅箔焊墊會與防焊重疊，理論上對細間距(也就是fine-pitch)的BGA錫球在錫膏量的印刷上會比較不好控制，因為防焊會墊高鋼板，使得錫膏的印刷量變多，因為鋼板被墊高就相當於增加了鋼板的厚度。而SMD焊墊設計所裸露出來的焊墊大小則比較規整，相對於NSMD焊墊設計在有線路連接進出焊墊時所造成焊墊形狀的不規整，反而又比較可以透過鋼板開孔大小來控制錫膏量，其製程工藝上又比較容易受控。只能說SMD與NSMD真的各有其優缺點。
看過苦主提供關於耿明老師在《電子組裝的可製造性設計》書中提出【SMD焊墊在無鉛焊接中有利於氣體的排出】這句話，因為書中沒有任何的前因後果，也沒有提出任何的理由與理論根據，就突然冒出這句話，老實說我個人真的很難判斷其結論，所以個人還是對這個觀點持保留態度的，因為與大部分的事實不符。
至於錫球氣泡的問題，一般來說，如果是0.4mm間距的BGA，基本上不太會使用機械鑽孔後用樹脂塞孔的電鍍制程，而比較會使用鐳射鑽孔後電鍍銅填孔，如果是電鍍銅填孔，則比較不會有氣泡問題，建議可以直接詢問PCB板廠，在BGA焊墊上的via-in-pad是何種塞孔作業。
另外，回焊爐中如果開氮氣(N2)也可能會使得錫球中的氣泡集中、吹脹錫球，這是因為氮氣會降低錫粉的表面張力，而無法有效支撐液態焊錫，這會導致氣體在錫球這類焊接過程中更容易聚集在一起，而形成較大的空洞。但是氮氣對那些用錫量較少的焊點則有利潤濕的擴展。另一個原因是氮氣會加大回焊爐內的壓力，使得氣泡不易從錫球中逃逸出來。
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總結以上，想要解決這個BGA短路問題，個人建議在不影響錫膏焊接品質的情況下，要透過實驗計畫方法來減少錫膏印刷量，如果有SPI，建議要針對有問題BGA的錫膏量做嚴格管控，記錄容易短路焊點的錫膏印刷量，並與回焊後的品質做比較，看看能不能找出一個比較好的製程參數。
故事說到這裡，整個討論串也大概結束了。苦主也接受工作熊的建議，並回覆說他們會再開一張新的鋼板，嘗試縮小開孔來減少錫膏量，並跟進追蹤。不過，到目前為止並沒有接收到任何後續的品質改善是否的反饋就是了。
這個問題當然沒有絕對的答案，工作熊的看法也不一定就是最正確的，而苦主所碰到的BGA錫球中空吹脹不良現象，也還沒有一個真正合理的原因解釋，或許你也曾經碰過這樣的問題，也或許有自己的看法，非常歡迎你對這個問題提出自己的想法。
YouTube影片：PCB的SMD與NSMD焊墊設計哪種較能減少BGA焊接氣泡產生？
Podcast：PCB的SMD與NSMD焊墊設計哪種較能減少BGA焊接氣泡產生？
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