善用測溫點管控LTD解決BGA的HIP/HoP雙球枕頭效應及NWO虛焊

August 17, 2021, 5:16 pm

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善用測溫點解決BGA的HIP/HoP雙球枕頭效應

因為現在很多BGA封裝都是PBGA (Plastic Ball Grid Array) ，它們使用環氧樹脂材料來封裝其外型，而載板則使用BT樹脂或ABF (Ajinomoto Build-up Film) 當基材，這些基材的Tg值都不會超過200°C，而現在無鉛的回焊區溫度一般都在220°C以上，也就是說回焊時PBGA可能出現軟化，如果再加上本體溫度分佈不均勻就非常容易發生變形翹曲，最終造成HoP/HIP焊錫不良。

為了避免發生HoP/HIP的焊錫問題，IPC-7530建議要在同一顆有疑慮BGA的不同位置放置測溫點，分別為：

本體上方正面（live-bug orientation）正中間表面附近放置一個測溫點。
本體下方背面（dead-bug orientation）正中間(inner ball)及最外圍(outer ball)附近的錫球處各放置一個測溫點。BGA下方的測溫點必須從PCB背面鑽孔埋線至想要量測的錫球焊點處。

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IPC-7530更建議要進一步管控整個BGA底下所有錫球的融錫時間前後差距不可超過2秒鐘，也就是所謂的【LTD (Liquidus Time Delay) < 2sec】。一般來說越靠近零件中心的錫球(inner ball)因為受本體阻擋熱源，吸熱升溫的速度也就越慢，而越外圍的錫球(outer ball)可以直接吸收到回焊爐熱風源，所以升溫的速度則會比較快。當BGA的錫球分佈出現融錫太大時間不一致時，本體就容易往已經先融錫的一端傾斜，這與電阻電容立碑原因一端拉力過大類似，最終會造成枕頭效應(HoP/HIP)。

不過工作熊個人建議，不只要管控錫球的「融錫時間差(LTD)」，更要順便管控其「固化時間差(STD, Solidus Time Delay)」，其實只要稍加注意調整回焊爐溫度的設定條件兩者就可以同時得到改善，何樂不為。

這是工作熊個人的經驗，就BGA的焊錫來說STD有時候比LTD對Hop/HIP及NWO的影響更甚，LTD太長雖然會讓BGA本體傾斜，但只要「真正融錫時間(True TAL)」夠長，傾斜是有機會可以得到平衡回復的，但如果STD時間太長，BGA本體就可能再次傾斜，而後續已經沒有高溫區可以再訂正這種傾斜了。

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NWO(Non-Wet-Open)與HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-of-Pillow)在SMT的Reflow溫度曲線下形成的原因稍微做了解釋，基本上兩者都是因為板材變形所致，只是HIP的錫膏會保留在電路板的焊墊上，但NWO則完全轉移到了錫球。

下一篇文章將會探討《如何在SMT測溫板上正確埋設BGA錫球的測溫線?》議題。

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新手提問：BGA已有錫球為何SMT回流焊接仍需印刷錫膏？BGA維修也需要印刷錫膏嗎？

April 18, 2023, 5:17 pm

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電子製造組裝的新手提問：BGA本體上不是已經有錫球了，為何SMT生產時還需要在PCB的焊墊上印刷錫膏才能焊接呢？BGA維修時需要印刷錫膏嗎？BGA周遭已經有其它的電子零件了又該如何在BGA對應的焊墊上印錫膏呢？

提問一、BGA本體上已經有錫球了，為何還需要在PCB上印刷錫膏呢？

這個問題要看它是返修(repair)/重工(rework)或是正常SMT生產，正常生產都是流水線，PCB會在輸送帶之間傳送，而且在貼片打件時板子可能會快速移動，黏稠的膏狀錫膏可以起到預固定電子零件於PCB的作用，使零件不至於偏移原來的位置或從PCB上掉落。如果是人工作業的返修(repair)或重工(rework)，因為不太需要移動PCB，或是可以人為預固定BGA於PCB，就不一定需要用到錫膏。

當然，錫膏除了可以起到預先固定電子零件的目的外，BGA印刷錫膏焊接還有以下的優點：

可以提升焊接的潤濕性及焊接效果。原則上BGA的錫球已至少經過一次回焊，所以錫球內基本上已經沒有助焊劑，因為BGA零件廠當初在將錫球焊接到BGA的載板上時就走過了一次回焊高溫，當我們要將BGA焊接到PCB時如果缺少了助焊劑去除金屬表面氧化物的助焊效果，焊接的潤濕性就會大打折扣。
可以確保焊錫品質及可靠度。BGA為球柵陣列封裝，也就是由多顆錫球所組成的陣列，這些陣列錫球在焊接的時候彼此間的共面度如果無法保持完全一致性，將會造成較大尺寸錫球有焊接到PCB的焊墊，而較小尺寸錫球無法有效接觸到PCB焊墊的問題，最終造成空焊、冷焊、假焊等缺點，而錫膏印刷的厚度則可以填補錫球間參差不齊的高度差，達到每顆錫球都能焊接於PCB焊墊的目的，提升BGA焊接的品質與可靠度。
可以確保焊接的一致性。嚴格來說BGA上已經走過一次回焊的錫球，其實際熔點會比新鮮的錫膏來得高一點點，其原因有可能是重新融熔過的焊料摻入了BGA焊墊上的表面金屬，造成合金成分些微改變，比如說錫金或錫銅或錫銀IMC化合物摻雜於錫球中，其次是錫球表面缺少了助焊劑的保護，在大氣環境下擺放一段時間後就容易在表面生成一層鈍化的氧化錫薄膜，這層薄膜將會使得錫球的表面能下降，也會阻礙焊接，回焊時就需要更高的溫度或使用助焊劑來清除氧化薄膜，這也是為何錫膏中需要添加助焊劑的目的之一。

（補充說明：當融熔的液態焊錫氧化後，其表面張力將會變大，一旦液態錫的表面張力大於PCB表面處理金屬或BGA錫球的表面能時，就會阻礙焊接，回焊時就需要更高的溫度才能破壞氧化錫的表面張力以進行焊接。升高溫度會使得錫液分子更加的活躍，減少分子間作用力，進而降低液態錫的表面張力。此外，加熱也可以促進氧化物的分解，從而降低氧化錫的生成，進一步降低液態錫的表面張力。）

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提問二、維修BGA時還需要印刷錫膏嗎？該如何印錫膏呢？

維修時為了確保焊接的效果與品質，一般我們還是會建議在BGA的PCB焊墊上印刷錫膏來作業的，維修時因為BGA零件的周遭已經有其它的電子零件焊接在PCB上了，所以無法使用SMT作業的標準鋼板(stencil)來作業，而會特製符合BGA尺寸的小鋼板（可以在「度娘」上搜尋【BGA小鋼網】找圖片）用人工來塗抹錫膏，然後加熱回焊。

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而一般外面的維修技術人員則覺得人工印刷錫膏太麻煩了，他們大多藝高人膽大，反正產品也不是自己的，修壞了也沒多大關係，只要跟客戶說板子壞了就可以結案。

他們在維修時在清除PCB焊墊上多餘的焊錫後，會直接在焊墊上塗膜一層助焊劑，然後拿已經有植球的BGA對齊後用熱風槍直接加熱焊接。這樣維修的成本當然很低，但是失敗率也很高，但是，這也很吃經驗與技巧，而且品質問題也很多：

首先加熱的溫度無法均勻，很難確保焊接時BGA載板及PCB不會發生翹曲，一但PCB或BGA載板有翹區發生就容易再次發生錫裂，不可不慎。
其次，熱風槍加熱會使用比較高的溫度(無鉛錫膏大概會到350°C，而回焊爐的最高溫一般設置在250°C左右)且無法控制加諸在BGA以及PCB的溫度，容易造成零件或PCB損毀，或降低其使用壽命。
其三，人工塗抹助焊劑無法控制用量。這會使得助焊劑無法在焊接的過程中充分揮發，助焊劑一旦殘留於PCB上，時間一久容易造成腐蝕。

所以，對於以上兩個問題，我們可以歸納重點為：金屬合金焊料(metal alloy)為軟釺焊接(soldering)的必須品，但如果要得到良好的軟釺焊接焊效果則必須要使用助焊劑(flux)去除焊接物的表面氧化物，而膏狀焊料則是為了在回焊前可以預固定電子零件於PCB上。

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