为什么SMT工程师不喜欢有双面BGA的PCB设计？BGA各种孔洞的型态与可能原因(microvoids, shrinkage voids, pinhole voids)

一般来说只要有在SMT生产打滚过的工程师，他们大多不喜欢生产有双面BGA设计的PCB，因为板子上有BGA的存在本身就已经不太容易生产了，而双面都有BGA设计的板子又比只有单面BGA设计的PCB更容易产生不良品。

有不良品就意谓着有无穷无尽的改善得做，而且BGA重工通常费时又费劲，重工后还不一定就可用，你说有那个SMT工程师犯傻了。

那为什么双面BGA的PCB较容易出现不良品呢？

正常情况BGA零件通常会被安排在第二面才过reflow，这是为了避免第一面reflow的缺点在第二面reflow时被放大，这些缺点包含BGA焊球孔洞(void)比率增加、HIP/HoP或NWO空假焊比率增加、焊点脆化、BGA零件掉落等主要问题，次要问题是双面BGA的板子维修不易。

二次回焊后BGA焊球孔洞(void)比率增加

一般认为是这因为二次回焊时，BGA锡球可能重新熔融，让原本散布于BGA内的许多细小孔洞(micro-void)有机会重新聚集成为一个较大的孔洞(void)，当锡球的Void越大，就表示锡球的可靠性越差，IPC-7095内有规定孔洞不得大于一定的百分比，因为一旦产品受到落下、振动等外力影响时有孔洞的锡球断裂机率就越高。

BGA锡球的孔洞(void)可不仅仅是那些肉眼可以看到的而已，有专家针对BGA锡球的孔洞分成了下列几类：

• Marco Voids：就是锡球中比较大的孔洞，一般为锡膏中助焊剂挥发的气体所形成，锡膏中真正用作焊锡的锡粉其实只佔了50%的体积，剩下的50%为助焊剂。锡球越大则可能形成的孔洞就越多。
  想多了解锡膏与助焊剂可以参考这篇文章《介绍并认识【锡膏(solder paste)】的基本知识(含助焊剂)》。

• Planar Micro-voids：一般出现于SMD(Solder-Mask-Defined)的板子，因为锡膏有机会印刷于防焊层，防焊层与焊垫之间的高度差与防焊表面粗糙度所形成的孔洞。
  这种平面微孔洞(planar micro-voids)经常出现在焊点和PCB的铜箔层之间，其主要原因为PCB的表面处理(surface finishes)不够细緻，在表面处理与铜箔之间留下了一些微小的孔洞(cave)，于回流焊的高温过程中小洞内的空气被加热膨胀撑大以致形成空洞。这种空洞最常出现在ImAg表面处理的板子上。

• Shrinkage Voids：缩收裂纹孔洞。锡球外壁在冷却过程中所形成的晶枝状(dendritic)小裂纹，一般容易出现在SAC的锡球或焊点表面。shrinkage voids发生的原因一般都指向冷却速率过慢所导致。大致成因为焊点的缓慢冷却最终​​导致焊锡在凝固前的共晶(eutectic)相待得久导致过度收缩。也就是焊锡从液态冷却转变为固态时在在熔点区待得过久，造成焊料过度收缩表面出现裂纹。

• Micro-Via Voids：通常是在via-in-pad的焊垫/焊盘上所形成的孔洞，特别是半盲孔，因为锡膏印上去时将空气限缩在半盲孔中。
  另外，即使via有填孔，但是填孔后的dimple太大也会形成气孔。
  曾经看过文献说使用树脂填孔后镀铜的via-in-pad，因为其填孔密实度可能存在缝隙，再加上如果镀铜太薄或存在微小破孔，在回焊的过程中就可能将填孔缝隙中的空气给逼进锡球中密封。

• InterMetallic Micro-voids：IMC层长时间或多次热循环后老化形成于IMC附近的孔洞。

• Pinhole Micro-voids：这类孔洞一般出现在IMC层，可能原因为电路板上金属层原本的细小孔洞所形成。

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目前应该是无法完全避免BGA锡球孔洞(voids)的发生，不过可以在回焊炉内加氮气(N₂)来增加焊锡的润湿性并降低锡球孔洞的发生率。

二次回焊后，焊点脆化，承受落摔能力变差

这个应该是属于信赖度的问题，而且属于不可逆的反应，更甚的这一般在制造工厂是测试不出来的。

这是因为每经过一次Reflow就是对焊锡的再一次加热，而每一次的加热都会让IMC层变得更厚，也就是老化，铜基地的IMC (InterMetallic Compound) 还会从原本的良性Cu₆Sn₅转变为劣性的Cu₃Sn。不论是哪种金属基地的PCB，当IMC变得越来越厚，就表示焊锡变得越脆，也越无法承受落下时的冲击力。

可以把IMC想像成砖块间的水泥，不同的砖块分属不同的金属，其间必须形成类似水泥的IMC才能互相连接在一起，如果水泥层越厚（IMC层越厚），当砖块承受到推拉应力时，就越容易从水泥层断裂，在焊接中就是IMC层。

想进一步了解IMC请参考【PCB焊接强度与IMC观念】一文。

BGA零件于第二面回焊时掉落的风险

正常情况下打在第一面的BGA零件应该不至于在第二面过炉时掉落于回焊炉内的，188金宝搏苹果下载 公司的产品有贴过ARM CPU也没有掉过件，不过如果有重量比较重的BGA就难说了。

不过看网路上偶而还是会有网友提问BGA掉件问题，如果看文的朋友有实际发生的案例可以提出来一起讨论。

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如果无法避免双面BGA的设计出现，那有没有什么比较好的建议可以降低其风险呢？

老实说188金宝搏苹果下载 还未发现有这方面的工业标准，不过根据以上篇幅说明双面BGA的缺点，188金宝搏苹果下载 有以下的建议：

• 尽可能少放BGA零件于第一面reflow。
• 将重量比较轻、尺寸比较小、锡球pitch比较大的BGA设置在第一面。
• 将比较重要的BGA零件（如CPU）设置在第二面Reflow。
• 尽量不要将BGA零件设置于PCB的正中心，因为正中心通常是PCB变形最严重的位置。

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