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PCBA大講堂:導(dǎo)通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則

發(fā)布時(shí)間 :2023-04-07 16:23 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
「導(dǎo)通孔在盤(vias-in-pad or vias-on-pad)」是個(gè)令電路板組裝制造工廠非常頭疼的問題,尤其是通孔放置于BGA(Ball Grind Array)焊盤(pad)的時(shí)候,但設(shè)計(jì)單位往往基于其設(shè)計(jì)空間不足,或其他難以克服等理由而強(qiáng)迫要求組裝工廠照做。
其實(shí)隨著電子產(chǎn)品的縮小,電路板的密度越來越高,層數(shù)也越來越多,所以很多PCB設(shè)計(jì)布線工程師(CAD layout engineer)就把通孔擺放在焊盤上面,尤其是球間距小的BGA焊盤(pad)更是沒有太多空間可以擺放導(dǎo)通孔。
 
不過把導(dǎo)通孔(via)擺放在吃錫的焊盤上雖然節(jié)省了電路板的空間,可是對(duì)SMT及制造工程師來說這卻是個(gè)大災(zāi)難,因?yàn)楹芸赡軙?huì)引起下列的種種品質(zhì)問題,說不定到最后回馬槍打到的反而是RD自己:
1、如果導(dǎo)通孔被放置于BGA的焊盤上,很有可能形成 head-in-pillow (枕頭效應(yīng)或雙頭效應(yīng))或焊球內(nèi)部氣泡(Bubbles)。 
因?yàn)殄a膏印刷在導(dǎo)通孔時(shí)會(huì)把空氣封閉在通孔內(nèi),當(dāng)電路板流經(jīng)回流焊(reflow)爐高溫區(qū)時(shí),導(dǎo)通孔內(nèi)的空氣會(huì)因熱而膨脹并試圖逃逸,有些逃不出去的空氣就會(huì)在BGA的錫球中形成孔洞(Void/bubble),嚴(yán)重的話甚至?xí)斐烧眍^效應(yīng)(head in pillow)的不良現(xiàn)象。
2、導(dǎo)通孔內(nèi)積留的空氣,在流經(jīng) reflow oven (回焊爐)時(shí),空氣會(huì)受熱膨脹而有爆孔(out-gassing)的危險(xiǎn)。 
這通常發(fā)生在預(yù)熱不良的 reflow profile,當(dāng)升溫太快空氣快速膨脹,氣體無法有效逸出,最后就會(huì)爆出錫球外面。
3、錫膏會(huì)因?yàn)槊?xì)現(xiàn)象(pertaining to capillary)而流到導(dǎo)通孔內(nèi)部,造成必須焊接觸的錫量不足或缺焊等現(xiàn)象;甚或流到板子對(duì)面,造成短路的情形。
可是隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來越小,PCB設(shè)計(jì)布線工程師(layout engineer)對(duì)于電路板上的領(lǐng)土已到了輜銖必較的地步,有時(shí)候還是應(yīng)該是有些可以妥協(xié)空間。所以也就有了一些變通的方法來處理焊盤上的導(dǎo)通孔,下面圖示由A~E表示五種導(dǎo)通孔及其對(duì)SMT制程的影響:
通孔在墊(vias-in-pad)的五種設(shè)計(jì)
A) 導(dǎo)通孔完全沒有處理。 
這應(yīng)該不會(huì)被制造工程師所接受,因?yàn)殄a在受熱之后會(huì)流經(jīng)此導(dǎo)通孔,造成焊錫不足、空焊等不良現(xiàn)象,而且錫量完全無法控制,更可能影響到板子另外一面的零件,造成短路。
C) 盲孔(Blind hole)。 
勉強(qiáng)可以用,但還是有很大的風(fēng)險(xiǎn),錫量可以被控制,但錫膏覆蓋于半埋孔之上時(shí),會(huì)把空氣封鎖在半埋孔內(nèi),當(dāng)電路板經(jīng)過回焊爐(reflow)加溫后,空氣會(huì)因膨脹而爆開錫膏,或形成逸出通道,短期使用可能沒問題,但長(zhǎng)期使用之后,可能會(huì)從逸出通道的地方慢慢裂開,最后造成接觸不良。
B)、D)是最好的導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)。 
錫膏焊盤上面沒有孔洞影響錫膏量,也不會(huì)額外形成氣泡。
E) 可以使用,但價(jià)格較貴。 
可以在電路板后制程再加一道銅電鍍的制程,把半埋孔或通恐填補(bǔ)起來,填補(bǔ)的洞孔位置會(huì)稍有下陷,所以必須要求控制在一定尺寸之內(nèi),尤其是有 0.5mm pitch BGA 的板子。要注意:這種制程的板子一般會(huì)增加大約10%的價(jià)錢。 
部分BGA 布線時(shí)為了加強(qiáng)焊盤附著于電路板的強(qiáng)度會(huì)採(cǎi)取將通孔設(shè)計(jì)于BGA焊墊中心并做通孔填銅的方法,就類似在焊墊上打一顆鉚釘以增加其強(qiáng)度。
以下是以最近很夯的QFN中間接地焊盤為例子說明,現(xiàn)在的QFN大部分被拿來當(dāng)成電源控制器,所以其接地及散熱的要求也就特別高,像這樣密密麻麻的通孔,直接拿去印錫膏的下場(chǎng)真的是千奇百怪的結(jié)果都會(huì)發(fā)生。
↓這是最不好的設(shè)計(jì),貫穿通孔直接擺放于QFN的接地散熱墊上,制造上無法確保其錫量,也就無法確保焊接良好。 ↓這也是不好的設(shè)計(jì),但部份通孔已經(jīng)用綠漆(mask)蓋上,但仍有部份通孔未塞孔。 ↓這個(gè)設(shè)計(jì)勉強(qiáng)可以接受,只剩下正中間一個(gè)通孔沒有塞孔,而且孔徑也變小了。
這是最不好的通孔設(shè)計(jì),貫穿通孔直接擺放于QFN的接地散熱墊上,制造上無法確保其錫量,也就無法確保焊接良好。 這也是不好的通孔設(shè)計(jì),但部份通孔已經(jīng)用綠漆(mask)蓋上,但仍有部份通孔未塞孔。 這個(gè)通孔的設(shè)計(jì)勉強(qiáng)可以接受,只剩下正中間一個(gè)通孔沒有塞孔,而且孔徑也變小了。


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