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《Youtube》PCB的SMD与NSMD焊垫设计哪种较能减少BGA焊接气泡产生？
我们这次来聊一个关于PCB焊垫设计是否会影响到BGA焊接品质的工程问题。论坛上有网友询问BGA焊点过完回焊炉后发现有气泡产生，到底SMD与NSMD焊垫设计的哪一种表现会比较好呢？
在正式进入讨论以前，188金宝搏苹果下载 想先来闲聊一下，不知道大家有没有发现，现在的滑鼠好像越来越不耐用了？我最近就遇到这样的问题，新买的L牌滑鼠用了不到半年，按键就开始出现连点的问题，本来我也没有太在意，反正滑鼠坏了就换新的，也不是很贵，但神奇的是，我这次买了好几只滑鼠，结果前后都用了不到半年，它们居然就陆陆续续开始出现连点！这就让我有点受不了了。
于是，我就开始在网路上搜寻解决的方法，结果发现还真的有一堆人在YouTube上分享《如何更换滑鼠的微动开关延长其寿命》的功法。但说真的，拆滑鼠不难，问题是换微动开关(micro-switch)就没那么简单了。如果没有适当的吸锡工具，要拆下微动开关还真的有点给它麻烦。后来我在PTT上看到有人分享一个妙招，只要在微动开关作动的两只引脚之间，接上一颗0.1uF(法拉)~1.0uF(法拉)的滤波电容，就是比较靠近微动开关正面白色或蓝色按钮的那两只脚，这样就能增加按键的debounce time，减少因为抖动而产生的连点问题。
到文章发表为止，我已经在三只滑鼠上面各焊接了一颗0.1uF的陶瓷电容！效果还不错，用起来一切正常，也没有再出现连点的问题。如果你也碰到了同样的问题，不妨自己试看看，当然，如果你用的是一只只有200块钱的滑鼠，就直接换一只新滑鼠就好了。
现在我们就正式进入今天的主题吧！
这是论坛上一位网友提出来的问题，问题有点长，所以我就稍微润饰了一下，使其可以更容易理解，网友问到：
“我知道，PCB的焊垫设计大致分成SMD与NSMD两种不同方式。对于BGA焊点过回焊炉后的气泡产生，个人很想知道，哪一种焊垫设计的表现会比较好？于是我自己查了一些资料，网路上的说法普遍认为NSMD焊垫设计更有利于焊接时气体的排出。然而，我也查阅了耿明老师编着的《电子组装的可制造性设计》一书，里面却明确提到，「在无铅焊接中，SMD 焊垫设计有利于气体的排出，可以减少空洞现象」。这不禁让我觉得非常矛盾，这两种说法到底哪个才是对的呢？
根据我的经验，在PCBA的实际生产中，我们经常会在同一颗BGA的焊垫上同时看到有SMD和NSMD两种设计存在。实际观察发现，NSMD焊点回焊后的气泡产生确实会稍微小一些。而最近我们遇到了一个具体问题：我们有一款产品，BGA的锡球间距是0.4mm，焊垫是SMD设计。回焊炉后，有时候因为焊点内的气泡过大，导致焊点膨胀，甚至短路。所以，我就想到，或许可以将焊垫改成 NSMD 设计会好一些，但又怕没有充分的理论支持，希望大家可以给予指教。”
以上是这位网友所提出的问题，内容虽然有点长，但归结其问题，不外乎下面两个重点：
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BGA焊接后产生气泡，吹胀锡球，导致与邻近的锡球短路。
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PCB的焊垫设计分成SMD与NSMD两种，这位网友想要知道哪一种焊垫设计比较不会在BGA锡球内产生气泡。
我们先来看看论坛上面，网友们针对这个问题的看法与意见好了，之后再来说说我自己对这个问题的看法，当然我也有参与这个问题的讨论。
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大多数的网友都认为NSMD焊垫设计在BGA发生的气泡要比SMD来得少。
》》这一点与188金宝搏苹果下载 的经验符合。后面我会再做更详细的说明。
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有网友说，这么小的BGA，他们一般是不允许在零件底部及附近位置，设计有大面积的铜皮与丝印框，因为它们会影响PCB的表面平整度，导致锡膏印刷量不稳。至于原理，这位网友则不甚清楚。另外，BGA钢板开成圆孔会比方孔更稳定一点。
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后来有一位比较有经验的网友跳了出来，帮忙回答了第二位网友的问题。说明丝印问题是需要依据BGA的引脚间距来考虑的。引脚间距比较小的BGA，阻焊厚度对其焊接影响就会比较大，所以多数建议NSMD焊垫，最好连BGA的丝印框都不要印出来，如果是那种需要焊垫尺寸相同的设计，则焊垫不可以设计在大铜皮上；如果是引脚间距比较大的BGA，阻焊厚度的影响相对较小，可以考虑使用SMD焊垫设计，因为其裸露出来的焊垫尺寸会比较稳定，而且还比较能防止焊垫从PCB脱落的问题。
以上是网友们提供的一些比较有意思的建议，不过~好像并没有真正回答到这位苦主问题的核心。
下面188金宝搏苹果下载 来说说自己对这个问题的看法吧。
在讨论开始之前，我们还是得花一点时间先解释一下什么是SMD和NSMD焊垫设计，免得有些朋友听得一头雾水。其实，SMD和NSMD是两个英文缩写，分别代表 Solder Mask Defined 和 Non-Solder Mask Defined。它们主要用来区分 PCB 上焊垫的形状和大小是由铜箔来定义，还是由防焊层（也就是我们俗称的「绿漆」）来定义。
简单来说，SMD（防焊定义焊垫）就是靠防焊层的开孔来决定焊垫的形状和范围，也就是防焊会覆盖在铜箔的上面，防焊上面开了多大的孔，就裸露出来多大的焊垫；而 NSMD（非防焊定义焊垫） 则是靠裸露的铜箔部分来定义焊垫的大小，所以，防焊的开孔会比焊垫大。因此，有时候NSMD也被叫作「铜箔定义焊垫」。如果你想要进一步了解什么是SMD与NSMD，可以参考下面188金宝搏苹果下载 以前写过的几篇部落格文章与YouTube影片：
关于前面网友回答说：「丝印会造成锡膏量印刷不稳的问题」，我以前工作的时候确实有碰到过类似的问题，这是因为丝印的厚度会顶起钢板，增加了钢板与PCB表面的贴合间隙，也就增加了印刷的锡膏量。不过我碰到的状况是第一供应商与第二供应商所提供的PCB丝印厚度不一致所造成的，一些对锡膏量比较敏感的零件，比如fine-pitch或是0201尺寸以下的零件可能得多加留意。如果PCB只有一家供应商，这种问题应该比较容易控制，只需要针对锡量印刷较多的焊垫缩小钢板的开孔就可以了。不过比较好的方法应该是要统一定义丝印的厚度，免得那天PCB供应商自己心血来潮变更了丝印厚度，或是我们那天换了一家新的PCB厂，同样的问题又会再重新上演一次。
建议延伸阅读：
至于大面积铜皮可能造成锡膏量印刷不稳的问题，个人觉得这应该与丝印类似，这个问题应该比较容易出现在有铜皮与没有铜皮交接的位置，只不过，铜皮对锡膏量的影响应该是固定的，因为PCB设计的时候就会规定使用铜皮的重量，也就是厚度，不同板厂生产出来的铜皮厚度基本上也比较一致，只要针对该PCB做钢板开孔的调整就可以解决。
另外，NSMD 无法设计在大铜皮上，因为NSMD为铜箔限定。
好了，以上是188金宝搏苹果下载 对论坛上热心网友们所回答问题的一些个人看法。
下面我们就来针对苦主的问题来提供一些个人看法了，苦主说[耿明老师在《电子组装的可制造性设计》一书中提出：「SMD焊垫在无铅焊接中有利于气体的排出」，老实说，188金宝搏苹果下载 自己真的没有看过这本书，所以也无从知道这结论是如何下的，不过这结果与大部分实作的结果不太一致，推测这可能是基于某些特定制程工艺和材料组合下的实验结果。如果可能的话，建议苦主可以提供该文章的理论根据与详细内容，要是可以一併提供苦主公司的气泡照片则会更好判断。
正常来说，NSMD焊垫没有防焊层覆盖，会暴露出焊垫周围的垂直铜面，提供了更大的焊锡润湿面积。这种设计可以让焊料更自由地流动和扩展，应该有助于气体排出，因此在焊接过程中NSMD焊垫设计，应该更容易减少气泡的生成。而且大多数研究和实际经验表明，NSMD设计在改善焊点品质和减少空洞方面有明显的优势，特别是在BGA封装的焊接中。
另外，基于苦主提到【0.4mm间距的BGA，焊垫为SMD设计，炉后偶有因为焊接气泡导致焊点变大形成短路情况】，这种情形应该是无法藉由变更SMD与NSMD焊垫设计来获得大幅改善的，只能说这两种焊垫设计对气泡的改善效果差异甚微。而一般会造成BGA锡球吹气、中空、胀大，通常是焊垫下面有导通孔填孔设计所导致。一个可能原因是dimple太大了，另一个原因则是使用树脂塞孔，加热时气体会从dimple或是树脂塞孔中逸出而导致气泡。
苦主在看过188金宝搏苹果下载 的回復后，有了互动，而且还附上许多照片与资料，这种友好互动感觉很不错的啊！值得鼓励。我们当然也得用心地回答问题~
《苦主回復》
苦主不仅提供了短路的X-Ray照片，也提供了空板的照片，还提供了该BGA的一些尺寸规格，而且连耿明老师在《电子组装的可制造性设计》一书中关于SMD焊垫在无铅焊接中有利于气体排出]的证据都提供了。
苦主补充说明，从实物上他无法判定PCB的焊垫上是否有导通孔塞孔，钢板的厚度为0.08mm，开孔为0.21mm方形导圆角，PCB厚度为0.7mm，没有使用过炉载具，回焊炉的恒温区大约88秒，温度峰值为247˚C，回焊时间约60秒，焊接后气泡在8%以下，虽然未保存当时的相关图片，但是有测量炉温，而且观察焊点呈现圆润。此晶片的型号为TCS4525是一款WCSP20的封装，在规格书上没有找到该锡球直径资料，但是通过贴片程式查看，该物料的锡球尺寸为0.28mm，板子上的其他0.4mm间距的锡球直径则只有0.24mm，这个尺寸比钢板开孔尺寸明显大了不少，应该也是气泡产生的一个原因。此钢板有做过优化，优化前开孔为0.25mm，短路的比例非常高，当时确实没注意过是否是因为气泡所导致的，就直接开新钢板做了缩孔处理
《188金宝搏苹果下载 进一步回馈》
看到苦主这么配合且提供更多的资讯，我们当然得给予鼓励。以下是188金宝搏苹果下载 根据新的资讯所提出的进一步的回答。
不过我还是得强调一下，这只是我个人的观点，内容或许会有偏误，须酌情服用。
SMD焊垫设计的铜箔焊垫会与防焊重叠，理论上对细间距(也就是fine-pitch)的BGA锡球在锡膏量的印刷上会比较不好控制，因为防焊会垫高钢板，使得锡膏的印刷量变多，因为钢板被垫高就相当于增加了钢板的厚度。而SMD焊垫设计所裸露出来的焊垫大小则比较规整，相对于NSMD焊垫设计在有线路连接进出焊垫时所造成焊垫形状的不规整，反而又比较可以透过钢板开孔大小来控制锡膏量，其制程工艺上又比较容易受控。只能说SMD与NSMD真的各有其优缺点。
看过苦主提供关于耿明老师在《电子组装的可制造性设计》书中提出【SMD焊垫在无铅焊接中有利于气体的排出】这句话，因为书中没有任何的前因后果，也没有提出任何的理由与理论根据，就突然冒出这句话，老实说我个人真的很难判断其结论，所以个人还是对这个观点持保留态度的，因为与大部分的事实不符。
至于锡球气泡的问题，一般来说，如果是0.4mm间距的BGA，基本上不太会使用机械钻孔后用树脂塞孔的电镀制程，而比较会使用镭射钻孔后电镀铜填孔，如果是电镀铜填孔，则比较不会有气泡问题，建议可以直接询问PCB板厂，在BGA焊垫上的via-in-pad是何种塞孔作业。
另外，回焊炉中如果开氮气(N2)也可能会使得锡球中的气泡集中、吹胀锡球，这是因为氮气会降低锡粉的表面张力，而无法有效支撑液态焊锡，这会导致气体在锡球这类焊接过程中更容易聚集在一起，而形成较大的空洞。但是氮气对那些用锡量较少的焊点则有利润湿的扩展。另一个原因是氮气会加大回焊炉内的压力，使得气泡不易从锡球中逃逸出来。
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总结以上，想要解决这个BGA短路问题，个人建议在不影响锡膏焊接品质的情况下，要透过实验计画方法来减少锡膏印刷量，如果有SPI，建议要针对有问题BGA的锡膏量做严格管控，记录容易短路焊点的锡膏印刷量，并与回焊后的品质做比较，看看能不能找出一个比较好的制程参数。
故事说到这里，整个讨论串也大概结束了。苦主也接受188金宝搏苹果下载 的建议，并回覆说他们会再开一张新的钢板，尝试缩小开孔来减少锡膏量，并跟进追踪。不过，到目前为止并没有接收到任何后续的品质改善是否的反馈就是了。
这个问题当然没有绝对的答案，188金宝搏苹果下载 的看法也不一定就是最正确的，而苦主所碰到的BGA锡球中空吹胀不良现象，也还没有一个真正合理的原因解释，或许你也曾经碰过这样的问题，也或许有自己的看法，非常欢迎你对这个问题提出自己的想法。
YouTube影片：PCB的SMD与NSMD焊垫设计哪种较能减少BGA焊接气泡产生？
Podcast：PCB的SMD与NSMD焊垫设计哪种较能减少BGA焊接气泡产生？
延伸阅读：
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- 这种片式电容偶发焊锡短路不良现象是怎么形成的呢？
- 网友求助问：SMT焊点表面出现一层颗粒状金属球是什么？
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5. 188金宝搏苹果下载
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