杨久良
摘要：随着电子产品越来越精密化，在PCB设计中，BGA的使用越来越广泛。笔者研读了IPC标准中关于焊盘尺寸、焊盘绿油限定、BGA出线策略，以及在SMT贴片焊接中盘中孔会造成的影响。结合盲埋孔制造、电镀填平工艺及SMT贴片返修生产线，着重讨论了PCB封装尺寸和盘中孔设计的关系。是否使用盘中孔，主要依据电子产品的寿命、使用环境、可焊性、可靠性。
关键词：球栅阵列封装焊点 可靠性 盘中孔 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球柵阵列简称，包含排列成栅格的锡球方阵。其焊锡球起到IC和印刷电路板的连接作用，这是通过表面贴装技术完成的[1]，加上外围电路，就能够实现PCBA的各种功能。依据笔者多年的工作经验，BGA球径0.8mm已属常见，还会用到0.5mm甚至更小的。同时，BGA封装与出线有着密切的关系，焊盘之间夹1根线或者更多也属常规设计。并且，BGA焊盘中通常不允许常规的通孔设计了，因为通孔尺寸过大，会报设计规则错误（DRC）。于是，在使用BGA封装的PCB设计中，不可避免地会引入盲埋孔。
盲孔尺寸一般设置为0.1mm，激光钻孔。如果盲孔只是打在相邻BGA焊盘FR-4基材上，就是普通操作，加工时只需激光钻孔[2]。考虑到布线空间，某些情况会直接将盲孔设在焊盘上，这种结构成为盘中孔（Via-in-Pad）。在激光钻孔后，要对盘中孔进行电镀填平，即在树脂塞孔表面进行电镀。目的是减小盘中孔在焊盘中的凹陷。但是电镀填平并不能100%填平。刷钢网时，此种焊盘会比没有盘中孔的焊盘锡膏量少。所以在SMT回流焊时，盘中孔焊盘的焊接会有虚焊、空洞风险[3-4]。
消费电子产品中，例如手机，器件密度大、PCB尺寸小，使用环境简单，可以使用盘中孔。而工业产品中，例如汽车控制器，器件密度没有消费电子产品大，使用环境复杂，工作寿命要求长，设计要避免使用盘中孔。结果表明，在不同电子产品，为了提高产品可焊性和可靠性，可以设计出适用于不同工艺的PCB封装。
1 BGA介绍
BGA（球栅阵列封装），见图1。因为体积小、引脚多优势，成为更多硬件设计工程师的选择。BGA包含排列成栅格的锡球方阵。其焊锡球起到IC和印刷电路板的连接作用，这是通过表面贴装技术完成的。这种焊点有其特殊性，焊点检测也只能借助X光来完成。并且一旦有问题，返修也比较困难。因此对SMT贴片组装也提出了更高的要求。
1.1 BGA焊盘设计
1.1.1焊盘尺寸
一般来说，焊球直径越大的BGA焊盘减小的越多，减少25%或20%。
表1列出了不同球径和焊盘尺寸的关系[5]。表2列出了笔者在工作设计中，对于不同焊球尺寸的BGA应用的焊盘尺寸。
1.1.2焊盘限定
一种是非阻焊膜限定焊盘，NSMD（non solder mask defined），称为蚀刻或非阻焊膜限定，也就是铜限定的焊盘，其阻焊开口大于铜连接盘，回流焊后焊球不会接触阻焊膜。大多数情况下使用。
另一种是阻焊膜限定焊盘，SMD（solder mask defined）。连接盘尺寸大于阻焊膜开口，回流焊后BGA焊球会接触阻焊膜。
图2展示了非阻焊膜限定焊盘（NSMD）和阻焊膜限定焊盘（SMD）中的区别。
非阻焊膜限定NSMD。优点：这种焊盘只需要相对较小的铜连接盘，因此有更多空间用来布线和打过孔。铜连接盘边缘和绿油有一定的间隙，这样回流焊时，锡膏允许流到铜连接盘的边缘。从而能够消除焊盘上锡膏可能不平衡的压力。焊接点比阻焊膜限定的焊盘更加宽，所以潜在地会有更长的疲劳寿命。非阻焊膜限定时的疲劳寿命因子增加预计约1.25～3倍。
阻焊膜限定SMD。回流焊后焊接点会窄，但是有一个高的standoff（焊接支架）。因为铜连接面相对来说面积更大，而且阻焊和铜连接面重叠，所以这种阻焊膜限定的BGA会与PCB有更多的接触。但是它有一个主要缺点，就是可靠性降低。虽然焊接点与PCB接触面积增加，但是这种接触不可靠，因为阻焊膜限定连接焊盘会产生额外的应力起始点。
图3可以看出阻焊在连接点位置侵蚀过多。这种情况会在焊球中产生应力，在温度变化器件会扩展裂纹。潜在解决方案：设计产品时始终只使用金属限定（NSMD）连接盘，除非需要用阻焊膜限定连接盘来减少焊盘坑裂的发生。
图4展示的是焊接裂纹。裂纹起始于焊料向下传播，并穿过金属间化合物层。可以看到阻焊膜下的镍堆积也较明显。可能原因是：裂纹始于阻焊膜尖脚的焊料处。这种情况是由于焊球内的应力而引起的裂纹传播。潜在的解决方案：设计产品板子时始终只使用金属限定（NSMD）连接盘，除非需要用阻焊膜限定连接盘来减小焊盘抗裂的发生。
1.2 BGA出线策略
如果有更大的铜接触面，就会使走线的区域减小。举个例子，一个1.27mm间距的BGA。如果使用直径为0.63mm焊盘，使用125/125um的走线，可以出两根线。如果使用直径为0.8mm焊盘，使用125/125um的走线，只能出一根线。对比如图5所示。
表3和表4中分别列出了1.27mm间距和1mm间距的BGA焊盘大小与出线多少的关系。
公式（1）能够计算出其中的关系：
其中，P表示引脚间距;D表示焊盘尺寸，即铜接触面积;n表示出线数量;x表示走线宽度/线间距。
1.3盲埋孔选择
举例1：infineonSAK-TC377TP-96F300S。间距为0.8mm，球径0.5mm±0.1mm。
焊盘0.38mm。可以使用孔径为0.3mm，焊盘为0.5mm的通孔。这时候焊盘间距为0.751mm，过孔到焊盘边缘距离为0.125mm=（0.751mm-0.5mm）/2。
举例2：IntelEP3C10M164I7N。间距为0.5mm，球径0.32mm±0.05mm。
这时候通孔不再适用，只能选择镭射孔。镭射孔孔径为0.1mm，焊盘0.26mm。
焊盘尺寸为0.26mm或者0.24mm。
选择一：如果焊盘0.26mm，焊盘间距为0.447mm，过孔焊盘最大就是0.247mm=0.447mm-2x0.1mm（1oz板子最小间距0.1mm），镭射孔只能放在焊盘上。如图6所示。
图6BGA焊盘直径为0.26mm
選择二：如果减小焊盘到0.24mm，焊盘间距为0.467mm，过孔焊盘最大就是0.267mm=0.467mm-2x0.1mm。可以将镭射孔放置在相邻焊盘之间FR4上，避免设在焊盘上。如图7所示。
如果将过孔打在焊盘上，也就是盘中孔，会造成SMT贴片焊接后，BGA内部空洞，增加焊盘失效的风险。这个会在最后一章讨论。
1.4 BGA贴片
1.4.1 BGA焊接
BGA封装器件贴片时候，BGA底部锡球排列恰好对应PCB板上铜箔位置。接着在回流焊过程[6]中，加热将锡球熔解，使得熔化的锡球与PCB板上的铜或者绿油连接。经过冷却，锡球最终撑住封装点并对齐到电路板上。
1.4.2 X-Ray检查
由于BGA封装不像SOP或QFP封装那样引脚外露，所以无法目检或AOI检查焊接质量。实时X-Ray检查是一种有价值的无损伤的检测技术。
图片8展示的是焊接空洞。图9展示的是虚焊情况，可以看到焊球明显偏小。
1.4.3 BGA返修
步骤一：准备工作。首先要给PCB板和BGA进行预热，去除PCB和BGA的潮气。然后选择适合BGA大小的风嘴安装到机器上。
步骤二：拆下BGA，清理PCB和BGA的焊盘。
步骤三：BGA植球或者使用新的器件。正常封装底部引脚处由锡珠所取代，都是一粒小小的锡球固定其上。
图10展示的是分别是未植株的芯片背面和已经植株的芯片背面。
步骤四：将植球后的BGA或者新的BGA重新焊接。
2盘中孔可靠性讨论
笔者注意到一个现象，在不同的产品印刷版中，打在焊盘上的盲埋孔是否被使用，还是有很大的区别的。比如在工业产品中，设计PCB时就尽量避免使用盘中孔。而在消费电子产品中，PCB设计中会使用大量盘中孔。
这和产品使用的环境、对可靠性的要求不同都有很大的关系[6]。比如在工业产品中，像电机控制器、变频器使用环境复杂、对可靠性要求高，印刷版按照IPC-class3设计。而且PCBA还会喷涂三防漆来提高可靠性。而消费电子，像手机有尺寸小、使用环境简单密度高的特点，就不可避免地使用盘中孔。
一阶镭射孔如果打在BGA焊盘上，电镀填平之后还会有一定的凹陷，这凹陷中有残存的空气，在焊接时候会就有可能在焊点内形成空洞，这样最终产品可能会影响可靠性。对于空洞的标准，在IPC-7095[7]中也有明确的数值，见表5。Class-2空洞不能大于锡球尺寸的45%，而Class-3空洞不能大于锡球尺寸的30%。
避免盘中孔有两种做法。一种从工艺角度，电镀填平盲孔工艺。但需要注意的是，盘中孔的凹陷并不能完全填平。另一种是从设计角度，想办法避免此种情况发生。比如减小焊盘尺寸，使能够在焊盘间隙打下镭射孔。参照上面章节。
3结语
球栅阵列封装大幅度地提高了印制板的组装密度，使得其应用越来越广泛。而焊盘尺寸、焊盘类型与盲埋孔的选择有着密切的关系。而盲埋孔的使用，必然会涉及PCB加工工艺与SMT贴片焊接。在不同的产品中，可能会偏重相反的考虑方向，而做出不同的设计，这些都是可以理解的。作为硬件工程师，了解了这些焊盘、盲埋孔、加工工艺、贴片工艺，将会在具体设计中选择更适合的方案。
参考文献
[1]李涛.高密封装用BGA焊球制备工艺研究[D].河南科技大学，2017.
[2]蔡容，卢君宜.PCB板激光精密锡焊工艺研究[J].热加工工艺，2021，3（50）：138-141.
[3]周文木，刘锦峰，张良静，等.印制板盘中孔工艺分析及可靠性研究[J].印制电路信息，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，顾炳林.基于IPC-7351B的表面器件PCB封装设计[J].兵工自动化，2019，7（38）：37-40.
[6]张艳鹏，王威，王玉龙，张雪莉.回流焊峰值温度对混装BGA焊点的影响研究[J].电子元件与材料，2020（39）：87-89.
[7]IPC-7095，Design and Assembly Process Implementation for BGAs[S].Device Manufacturers Interface Committee of IPC，2000.
3378500338235
