如何由X-Ray來判斷BGA有否空焊

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如何由X-Ray來判斷BGA有否空焊
如果你是個SMT工程師，那你一定用過X-Ray，也用它看過BGA的焊錫情況，可是你看來看去怎麼覺得BGA的焊球(ball)都長得一樣，你是如何判斷BGA有沒有空焊？
通常來說，一般人使用X-Ray都只能看看焊錫有沒短路(short)、少錫、氣泡(void)，但如果要用來判斷BGA的錫球(ball)是否有空焊就有點難度，當然這裡指的是2D的X-Ray，其實如果細心一點的話還是可以找到一點點蛛絲馬跡來判斷是否有空焊喔！
一般來說X-Ray照出來的影像都只是簡單的2D投影畫面，用它來檢查短路(short)很容易，但想用它來檢查空焊就難倒不少人，因為每顆BGA錫球看起來幾乎都是圓的，實在看不出來有沒有空焊，雖然近年來也有號稱可以照出3D影像的【3D X-Ray CT】，但是所費都不眥！而且能否如商家所宣稱的那麼神奇，實在不敢妄想。
這裡分享你一個小撇步，如何用傳統的2D平面X-Ray影像判斷BGA是否空焊。
一、BGA錫球變大造成空焊
首先想想同一個BGA的錫球應該都是一樣的大小，其中如果有些錫球是空焊，有些球是焊錫完整，那這兩種焊錫的形狀是否會有些不一樣？答案是肯定的，試想同樣體積的錫球經過壓縮後，好的焊錫會有一部份錫球的錫分散到PCB的焊墊(pad)而使焊球變小；有空焊的錫球則不會，錫球經過壓縮後反而會使錫球變大。
下圖表示同樣大小的錫球發生空焊時，錫球的直徑反而會變大，當然最好比較一下正常板子的焊球是否都一樣大，因為有些板子的設計會造成錫球變得比較小，後面會再詳述。
BGA同樣大小的錫球發生空焊時，錫球的直徑反而會變大
另外，工作熊也認為這個錫球變大的現象與HIP(Head In Pillow，枕頭效應)及NWO(Non-Wet-Open)不良現象有非常高的正相關，不過一般的HIP及NWO都很難用二維(2D)的X-Ray檢查出來，因為其BGA球形的大小變化不大。
▼下圖為實際的例子說明錫球直徑變大，表示焊錫空焊(solder skip)。
BGA錫球直徑變大，表示焊錫空焊(solder skip)
▼從下面這張X-Ray的圖片，你可以看得出來哪一顆BGA錫球空焊了嗎？運用一下上面教你的方法～
你可以看得出來哪一顆BGA錫球空焊了嗎？
▼現在工作熊幫你畫幾條直線你再看看是否有發現那一顆BGA的錫球比較大，有空焊的可能？再回去看一下上面那張圖，確認看看你沒有看走眼。其實真的就只差那麼一點點！
現在我畫幾條直線你再看看是否有發現那一顆BGA的錫球比較大，有空焊的可能？
還不過癮嗎，這裡有個練習題，可以讓你親自體驗一下如何用2D的X-Ray實例演練檢查BGA空焊問題。
二、導通孔(vias)導至錫量不足的空焊
另外一種空焊現象是錫量不足，這種現象通常發生在焊墊有導通孔(via)的時候，因為錫球流經迴流焊(Reflow)時部分的錫會因為毛細現象(wicking)流進導通孔而造成錫量不足，有時候導通孔在焊墊旁也會造成這樣的問題。這時候從X-Ray上看出來的球體就會變小，錫量被導通孔吃到掉太多就會空焊。通常我們不建議導通孔做在焊墊上，焊墊旁的導通孔也要用綠漆(solder mask)蓋起來，以後會討論導通孔在墊(via in pad)的缺點及補救辦法。
BGA空焊，導通孔(via)連接焊墊
▼這是導通孔(via)擺在焊墊旁(solder pad)的不良設計，這種設計焊錫非常容易流進通孔而造成錫量不足的空焊現象。
這是導通孔(via)擺在焊墊旁(solder pad)的不良設計，這種設計焊錫非常容易流進通孔而造成錫量不足的空焊現象

三、錫球內有氣泡產生空焊
還有一種BGA空焊形成的原因是錫球中有氣泡(voids)，根據IPC7095 7.4.1.6的規範，一般電子業適用於 Class 1 ，其所有氣泡的孔直徑加起來，不可以超過BGA直徑的60%。 如果氣泡太大就會造成空焊或焊錫斷裂的現象。(2010/11/22更正，一般電子產品應適用於Class 1，而非Class 3，另新增各種等級的解釋)
◾Class 1：適用於一般消費性電子產品。BGA的氣泡要求要不得大於60％(直徑)或36％(面積)。
◾Class 2：適用於商業/工業用的電子產品。BGA的氣泡要求要不得大於42％(直徑)或20.25％(面積)。
◾Class 3：適用於軍用/醫療用的電子產品。BGA的氣泡要求要不得大於30％(直徑)或9％(面積)。
◾2012-Jul-01更新：根據 IPC-7095B 7.5.1.7規格更新，現在BGA錫球內的氣泡準統一要求要不得大於25%(直徑)或6.25%(面積)。
BGA_XRay07
▼錫球氣泡大到足以影響到焊接的品質，下圖是錫球切片後的剖面，可以很明顯看到氣泡已經有錫球的 1/3 大了。
錫球氣泡大到足以影響到焊接的品質，下圖是錫球切片後的剖面，可以很明顯看到氣泡已經有錫球的 1/3 大了
▼這是由X-Ray照出來的錫球氣泡，有些氣泡已經大到 0.5d 了。
BGA_XRay09.有pcb设计的朋友可以一起加Q探讨Q800058675