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為什么SMT工程師不喜歡有雙面BGA的PCB設(shè)計?

發(fā)布時間 :2017-09-14 09:09 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
為什么SMT工程師不喜歡有雙面BGA的PCB設(shè)計?
一般來說只要有在SMT生產(chǎn)打滾過的工程師,他們大多不喜歡生產(chǎn)有雙面BGA設(shè)計的PCB,因為板子上有BGA的存在本身就已經(jīng)不太容易生產(chǎn)了,而雙面都有BGA設(shè)計的板子又比只有單面BGA設(shè)計的PCB更容易產(chǎn)生不良品。
有不良品就意味著有無窮無盡的改善得做,而且BGA重工通常費時又費勁,重工后還不一定就可用,你說有那個SMT工程師犯傻了。
 
那為什么雙面BGA的PCB較容易出現(xiàn)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、HIP或WNO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。
 
二次回焊后BGA焊球孔洞(void)比率增加
一般認(rèn)為是這因為二次回焊時,BGA錫球可能重新熔融,讓原本散布于BGA內(nèi)的許多細(xì)小孔洞(micro-void)有機會重新聚集成為一個較大的孔洞(void),當(dāng)錫球的Void越大,就表示錫球的可靠性越差,IPC-7095內(nèi)有規(guī)定孔洞不得大于一定的百分比,因為一旦產(chǎn)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。
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:錫膏中助焊劑所行程的孔洞。
? Planar Micro-voids:一般出現(xiàn)于SMD(Solder-Mask-Defined)的板子,因為錫膏有機會印刷于防焊層,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。
? Shrinkage Voids:錫球外壁的小洞。
? Micro-Via Voids:焊墊/焊盤上via形成的孔洞。
? IMC Micro-voids:IMC層長時間或多次熱循環(huán)后老化形成于IMC附近的孔洞。
? Pinhole Micro-voids:這類孔洞一般出現(xiàn)在IMC層,由電路板上金屬層原本的細(xì)小孔洞所形成。
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BGA錫球斷裂(crack)的紅墨水測試判斷與現(xiàn)象分析
何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關(guān)系?
目前應(yīng)該是無法完全避免BGA錫球孔洞(voids)的發(fā)生,不過可以在回焊爐內(nèi)加氮氣(N2)來增加焊錫的潤濕性并降低錫球孔洞的發(fā)生率。
 
二次回焊后,焊點脆化,承受落摔能力變差
這個應(yīng)該是屬于信賴度的問題,而且屬于不可逆的反應(yīng),更甚的這一般在制造工廠是測試不出來的。
這是因為每經(jīng)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(zhuǎn)變?yōu)榱有缘腃u3Sn。不論是哪種金屬基地的PCB,當(dāng)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沖擊力。
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(dāng)磚塊承受到推拉應(yīng)力時,就越容易從水泥層斷裂,在焊接中就是IMC層。
想進(jìn)一步了解IMC請參考【PCB焊接強度與IMC觀念】一文。
 
BGA零件于第二面回焊時掉落的風(fēng)險
正常情況下打在第一面的BGA零件應(yīng)該不至于在第二面過爐時掉落到回焊爐內(nèi)的,深圳宏力捷打過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(wǎng)絡(luò)上偶爾還是會有網(wǎng)友會提問,如果有看文的朋友有實際發(fā)生的案例可以提出來一起討論。
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二次回焊時避免第一面零件掉落的解決方法 
為什么SMT二次回焊時第一面零件不會掉落?再回焊熔錫溫度會升高?
 
如果無法避免雙面BGA的設(shè)計出現(xiàn),那有沒有什么比較好的建議可以降低其風(fēng)險呢?
老實說深圳宏力捷還未發(fā)現(xiàn)有這方面的工業(yè)標(biāo)淮,不過根據(jù)以上篇幅說明雙面BGA的缺點,深圳宏力捷有以下的建議:
? 盡可能少放BGA零件于第一面Reflow。
? 將重量比較輕、尺寸比較小、錫球pitch比較大的BGA設(shè)置在第一面。
? 將比較重要的BGA零件(如CPU)設(shè)置在第二面Reflow。
? 盡量不要將BGA零件設(shè)置于PCB的正中心,因為正中心通常是PCB變形最嚴(yán)重的位置。


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