楊久良

摘要：隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越精密化，在PCB設(shè)計(jì)中，BGA的使用越來(lái)越廣泛。筆者研讀了IPC標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于焊盤(pán)尺寸、焊盤(pán)綠油限定、BGA出線策略，以及在SMT貼片焊接中盤(pán)中孔會(huì)造成的影響。結(jié)合盲埋孔制造、電鍍填平工藝及SMT貼片返修生產(chǎn)線，著重討論了PCB封裝尺寸和盤(pán)中孔設(shè)計(jì)的關(guān)系。是否使用盤(pán)中孔，主要依據(jù)電子產(chǎn)品的壽命、使用環(huán)境、可焊性、可靠性。

關(guān)鍵詞：球柵陣列封裝焊點(diǎn) 可靠性 盤(pán)中孔 空洞

Abstract： With the increasing precision of electronic products， BGA is used more and more widely in PCB design. The author studied the size of solder mask， green oil limit of solder mask， BGA outlet strategy in IPC standard， and the influence of the hole in the pad in SMT patch welding. Combined with the blind hole manufacturing， electroplating filling process and SMT patch repair production line， the relationship between PCB package size and mask hole design is discussed. Whether to use mask hole mainly depends on the service life， service environment， weldability and reliability of electronic products.

Key Words： BGA solder joint; Reliabiliy; Mask hole; Hole

BGA，BallGridArray球柵陣列簡(jiǎn)稱(chēng)，包含排列成柵格的錫球方陣。其焊錫球起到IC和印刷電路板的連接作用，這是通過(guò)表面貼裝技術(shù)完成的[1]，加上外圍電路，就能夠?qū)崿F(xiàn)PCBA的各種功能。依據(jù)筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，BGA球徑0.8mm已屬常見(jiàn)，還會(huì)用到0.5mm甚至更小的。同時(shí)，BGA封裝與出線有著密切的關(guān)系，焊盤(pán)之間夾1根線或者更多也屬常規(guī)設(shè)計(jì)。并且，BGA焊盤(pán)中通常不允許常規(guī)的通孔設(shè)計(jì)了，因?yàn)橥壮叽邕^(guò)大，會(huì)報(bào)設(shè)計(jì)規(guī)則錯(cuò)誤（DRC）。于是，在使用BGA封裝的PCB設(shè)計(jì)中，不可避免地會(huì)引入盲埋孔。

盲孔尺寸一般設(shè)置為0.1mm，激光鉆孔。如果盲孔只是打在相鄰BGA焊盤(pán)FR-4基材上，就是普通操作，加工時(shí)只需激光鉆孔[2]?？紤]到布線空間，某些情況會(huì)直接將盲孔設(shè)在焊盤(pán)上，這種結(jié)構(gòu)成為盤(pán)中孔（Via-in-Pad）。在激光鉆孔后，要對(duì)盤(pán)中孔進(jìn)行電鍍填平，即在樹(shù)脂塞孔表面進(jìn)行電鍍。目的是減小盤(pán)中孔在焊盤(pán)中的凹陷。但是電鍍填平并不能100%填平。刷鋼網(wǎng)時(shí)，此種焊盤(pán)會(huì)比沒(méi)有盤(pán)中孔的焊盤(pán)錫膏量少。所以在SMT回流焊時(shí)，盤(pán)中孔焊盤(pán)的焊接會(huì)有虛焊、空洞風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。

消費(fèi)電子產(chǎn)品中，例如手機(jī)，器件密度大、PCB尺寸小，使用環(huán)境簡(jiǎn)單，可以使用盤(pán)中孔。而工業(yè)產(chǎn)品中，例如汽車(chē)控制器，器件密度沒(méi)有消費(fèi)電子產(chǎn)品大，使用環(huán)境復(fù)雜，工作壽命要求長(zhǎng)，設(shè)計(jì)要避免使用盤(pán)中孔。結(jié)果表明，在不同電子產(chǎn)品，為了提高產(chǎn)品可焊性和可靠性，可以設(shè)計(jì)出適用于不同工藝的PCB封裝。

1 BGA介紹

BGA（球柵陣列封裝），見(jiàn)圖1。因?yàn)轶w積小、引腳多優(yōu)勢(shì)，成為更多硬件設(shè)計(jì)工程師的選擇。BGA包含排列成柵格的錫球方陣。其焊錫球起到IC和印刷電路板的連接作用，這是通過(guò)表面貼裝技術(shù)完成的。這種焊點(diǎn)有其特殊性，焊點(diǎn)檢測(cè)也只能借助X光來(lái)完成。并且一旦有問(wèn)題，返修也比較困難。因此對(duì)SMT貼片組裝也提出了更高的要求。

1.1 BGA焊盤(pán)設(shè)計(jì)

1.1.1焊盤(pán)尺寸

一般來(lái)說(shuō)，焊球直徑越大的BGA焊盤(pán)減小的越多，減少25%或20%。

表1列出了不同球徑和焊盤(pán)尺寸的關(guān)系[5]。表2列出了筆者在工作設(shè)計(jì)中，對(duì)于不同焊球尺寸的BGA應(yīng)用的焊盤(pán)尺寸。

1.1.2焊盤(pán)限定

一種是非阻焊膜限定焊盤(pán)，NSMD（non solder mask defined），稱(chēng)為蝕刻或非阻焊膜限定，也就是銅限定的焊盤(pán)，其阻焊開(kāi)口大于銅連接盤(pán)，回流焊后焊球不會(huì)接觸阻焊膜。大多數(shù)情況下使用。

另一種是阻焊膜限定焊盤(pán)，SMD（solder mask defined）。連接盤(pán)尺寸大于阻焊膜開(kāi)口，回流焊后BGA焊球會(huì)接觸阻焊膜。

圖2展示了非阻焊膜限定焊盤(pán)（NSMD）和阻焊膜限定焊盤(pán)（SMD）中的區(qū)別。

非阻焊膜限定NSMD。優(yōu)點(diǎn)：這種焊盤(pán)只需要相對(duì)較小的銅連接盤(pán)，因此有更多空間用來(lái)布線和打過(guò)孔。銅連接盤(pán)邊緣和綠油有一定的間隙，這樣回流焊時(shí)，錫膏允許流到銅連接盤(pán)的邊緣。從而能夠消除焊盤(pán)上錫膏可能不平衡的壓力。焊接點(diǎn)比阻焊膜限定的焊盤(pán)更加寬，所以潛在地會(huì)有更長(zhǎng)的疲勞壽命。非阻焊膜限定時(shí)的疲勞壽命因子增加預(yù)計(jì)約1.25～3倍。

阻焊膜限定SMD?；亓骱负蠛附狱c(diǎn)會(huì)窄，但是有一個(gè)高的standoff（焊接支架）。因?yàn)殂~連接面相對(duì)來(lái)說(shuō)面積更大，而且阻焊和銅連接面重疊，所以這種阻焊膜限定的BGA會(huì)與PCB有更多的接觸。但是它有一個(gè)主要缺點(diǎn)，就是可靠性降低。雖然焊接點(diǎn)與PCB接觸面積增加，但是這種接觸不可靠，因?yàn)樽韬改は薅ㄟB接焊盤(pán)會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)力起始點(diǎn)。

圖3可以看出阻焊在連接點(diǎn)位置侵蝕過(guò)多。這種情況會(huì)在焊球中產(chǎn)生應(yīng)力，在溫度變化器件會(huì)擴(kuò)展裂紋。潛在解決方案：設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)始終只使用金屬限定（NSMD）連接盤(pán)，除非需要用阻焊膜限定連接盤(pán)來(lái)減少焊盤(pán)坑裂的發(fā)生。

圖4展示的是焊接裂紋。裂紋起始于焊料向下傳播，并穿過(guò)金屬間化合物層?？梢钥吹阶韬改は碌逆嚩逊e也較明顯。可能原因是：裂紋始于阻焊膜尖腳的焊料處。這種情況是由于焊球內(nèi)的應(yīng)力而引起的裂紋傳播。潛在的解決方案：設(shè)計(jì)產(chǎn)品板子時(shí)始終只使用金屬限定（NSMD）連接盤(pán)，除非需要用阻焊膜限定連接盤(pán)來(lái)減小焊盤(pán)抗裂的發(fā)生。

1.2 BGA出線策略

如果有更大的銅接觸面，就會(huì)使走線的區(qū)域減小。舉個(gè)例子，一個(gè)1.27mm間距的BGA。如果使用直徑為0.63mm焊盤(pán)，使用125/125um的走線，可以出兩根線。如果使用直徑為0.8mm焊盤(pán)，使用125/125um的走線，只能出一根線。對(duì)比如圖5所示。

表3和表4中分別列出了1.27mm間距和1mm間距的BGA焊盤(pán)大小與出線多少的關(guān)系。

公式（1）能夠計(jì)算出其中的關(guān)系：

其中，P表示引腳間距;D表示焊盤(pán)尺寸，即銅接觸面積;n表示出線數(shù)量;x表示走線寬度/線間距。

1.3盲埋孔選擇

舉例1：infineonSAK-TC377TP-96F300S。間距為0.8mm，球徑0.5mm±0.1mm。

焊盤(pán)0.38mm?？梢允褂每讖綖?.3mm，焊盤(pán)為0.5mm的通孔。這時(shí)候焊盤(pán)間距為0.751mm，過(guò)孔到焊盤(pán)邊緣距離為0.125mm=（0.751mm-0.5mm）/2。

舉例2：IntelEP3C10M164I7N。間距為0.5mm，球徑0.32mm±0.05mm。

這時(shí)候通孔不再適用，只能選擇鐳射孔。鐳射孔孔徑為0.1mm，焊盤(pán)0.26mm。

焊盤(pán)尺寸為0.26mm或者0.24mm。

選擇一：如果焊盤(pán)0.26mm，焊盤(pán)間距為0.447mm，過(guò)孔焊盤(pán)最大就是0.247mm=0.447mm-2x0.1mm（1oz板子最小間距0.1mm），鐳射孔只能放在焊盤(pán)上。如圖6所示。

圖6BGA焊盤(pán)直徑為0.26mm

選擇二：如果減小焊盤(pán)到0.24mm，焊盤(pán)間距為0.467mm，過(guò)孔焊盤(pán)最大就是0.267mm=0.467mm-2x0.1mm?？梢詫㈣D射孔放置在相鄰焊盤(pán)之間FR4上，避免設(shè)在焊盤(pán)上。如圖7所示。

如果將過(guò)孔打在焊盤(pán)上，也就是盤(pán)中孔，會(huì)造成SMT貼片焊接后，BGA內(nèi)部空洞，增加焊盤(pán)失效的風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)會(huì)在最后一章討論。

1.4 BGA貼片

1.4.1 BGA焊接

BGA封裝器件貼片時(shí)候，BGA底部錫球排列恰好對(duì)應(yīng)PCB板上銅箔位置。接著在回流焊過(guò)程[6]中，加熱將錫球熔解，使得熔化的錫球與PCB板上的銅或者綠油連接。經(jīng)過(guò)冷卻，錫球最終撐住封裝點(diǎn)并對(duì)齊到電路板上。

1.4.2 X-Ray檢查

由于BGA封裝不像SOP或QFP封裝那樣引腳外露，所以無(wú)法目檢或AOI檢查焊接質(zhì)量。實(shí)時(shí)X-Ray檢查是一種有價(jià)值的無(wú)損傷的檢測(cè)技術(shù)。

圖片8展示的是焊接空洞。圖9展示的是虛焊情況，可以看到焊球明顯偏小。

1.4.3 BGA返修

步驟一：準(zhǔn)備工作。首先要給PCB板和BGA進(jìn)行預(yù)熱，去除PCB和BGA的潮氣。然后選擇適合BGA大小的風(fēng)嘴安裝到機(jī)器上。

步驟二：拆下BGA，清理PCB和BGA的焊盤(pán)。

步驟三：BGA植球或者使用新的器件。正常封裝底部引腳處由錫珠所取代，都是一粒小小的錫球固定其上。

圖10展示的是分別是未植株的芯片背面和已經(jīng)植株的芯片背面。

步驟四：將植球后的BGA或者新的BGA重新焊接。

2盤(pán)中孔可靠性討論

筆者注意到一個(gè)現(xiàn)象，在不同的產(chǎn)品印刷版中，打在焊盤(pán)上的盲埋孔是否被使用，還是有很大的區(qū)別的。比如在工業(yè)產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)PCB時(shí)就盡量避免使用盤(pán)中孔。而在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，PCB設(shè)計(jì)中會(huì)使用大量盤(pán)中孔。

這和產(chǎn)品使用的環(huán)境、對(duì)可靠性的要求不同都有很大的關(guān)系[6]。比如在工業(yè)產(chǎn)品中，像電機(jī)控制器、變頻器使用環(huán)境復(fù)雜、對(duì)可靠性要求高，印刷版按照IPC-class3設(shè)計(jì)。而且PCBA還會(huì)噴涂三防漆來(lái)提高可靠性。而消費(fèi)電子，像手機(jī)有尺寸小、使用環(huán)境簡(jiǎn)單密度高的特點(diǎn)，就不可避免地使用盤(pán)中孔。

一階鐳射孔如果打在BGA焊盤(pán)上，電鍍填平之后還會(huì)有一定的凹陷，這凹陷中有殘存的空氣，在焊接時(shí)候會(huì)就有可能在焊點(diǎn)內(nèi)形成空洞，這樣最終產(chǎn)品可能會(huì)影響可靠性。對(duì)于空洞的標(biāo)準(zhǔn)，在IPC-7095[7]中也有明確的數(shù)值，見(jiàn)表5。Class-2空洞不能大于錫球尺寸的45%，而Class-3空洞不能大于錫球尺寸的30%。

避免盤(pán)中孔有兩種做法。一種從工藝角度，電鍍填平盲孔工藝。但需要注意的是，盤(pán)中孔的凹陷并不能完全填平。另一種是從設(shè)計(jì)角度，想辦法避免此種情況發(fā)生。比如減小焊盤(pán)尺寸，使能夠在焊盤(pán)間隙打下鐳射孔。參照上面章節(jié)。

3結(jié)語(yǔ)

球柵陣列封裝大幅度地提高了印制板的組裝密度，使得其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。而焊盤(pán)尺寸、焊盤(pán)類(lèi)型與盲埋孔的選擇有著密切的關(guān)系。而盲埋孔的使用，必然會(huì)涉及PCB加工工藝與SMT貼片焊接。在不同的產(chǎn)品中，可能會(huì)偏重相反的考慮方向，而做出不同的設(shè)計(jì)，這些都是可以理解的。作為硬件工程師，了解了這些焊盤(pán)、盲埋孔、加工工藝、貼片工藝，將會(huì)在具體設(shè)計(jì)中選擇更適合的方案。

參考文獻(xiàn)

[1]李濤.高密封裝用BGA焊球制備工藝研究[D].河南科技大學(xué)，2017.

[2]蔡容，盧君宜.PCB板激光精密錫焊工藝研究[J].熱加工工藝，2021，3（50）：138-141.

[3]周文木，劉錦峰，張良靜，等.印制板盤(pán)中孔工藝分析及可靠性研究[J].印制電路信息，2021（9）：20-26.

[4]Joshua A. Depiver，Sabuj Mallik，Emeka H. Amalu.Thermal Fatigue Life of Ball Grid Array （BGA） Solder Joints Made From Different Alloy Compositions[J].Engineering Failure Analysis，2021，125：1-26.

[5]潭安菊，顧炳林.基于IPC-7351B的表面器件PCB封裝設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化，2019，7（38）：37-40.

[6]張艷鵬，王威，王玉龍，張雪莉.回流焊峰值溫度對(duì)混裝BGA焊點(diǎn)的影響研究[J].電子元件與材料，2020（39）：87-89.

[7]IPC-7095，Design and Assembly Process Implementation for BGAs[S].Device Manufacturers Interface Committee of IPC，2000.

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