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。
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引言
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。
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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。
图1 BGA封装
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。
表1 IPC7351对焊盘尺寸的粗略估算
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 非阻焊膜限定和阻焊膜限定焊盘
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。
表2 实际使用焊盘尺寸
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 BGA焊接点阻焊侵蚀
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 焊接点焊接裂纹
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 1.27mm间距BGA的焊盘之间出线数量
表4 1.0mm间距BGA的焊盘之间出线数量
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6 BGA焊盘直径为0.26mm
选择二：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。
图7 BGA焊盘直径为0.24mm
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8 X-Ray显示的焊接空洞
图9 X-Ray显示的虚焊
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 未植株和已经植株的芯片背面
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。
02
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%。
表5 IPC-7095对焊接处球上的空洞接收范围
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。
03
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。
