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PCBA大講堂:導通孔在墊(Vias-in-pad)的處理原則

發布時間 :2023-04-07 16:23 閱讀 : 來源 :技術文章責任編輯 :深圳宏力捷PCBA部
「導通孔在盤(vias-in-pad or vias-on-pad)」是個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)的時候,但設計單位往往基于其設計空間不足,或其他難以克服等理由而強迫要求組裝工廠照做。
其實隨著電子產品的縮小,電路板的密度越來越高,層數也越來越多,所以很多PCB設計布線工程師(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通孔。
 
不過把導通孔(via)擺放在吃錫的焊盤上雖然節省了電路板的空間,可是對SMT及制造工程師來說這卻是個大災難,因為很可能會引起下列的種種品質問題,說不定到最后回馬槍打到的反而是RD自己:
1、如果導通孔被放置于BGA的焊盤上,很有可能形成 head-in-pillow (枕頭效應或雙頭效應)或焊球內部氣泡(Bubbles)。 
因為錫膏印刷在導通孔時會把空氣封閉在通孔內,當電路板流經回流焊(reflow)爐高溫區時,導通孔內的空氣會因熱而膨脹并試圖逃逸,有些逃不出去的空氣就會在BGA的錫球中形成孔洞(Void/bubble),嚴重的話甚至會造成枕頭效應(head in pillow)的不良現象。
2、導通孔內積留的空氣,在流經 reflow oven (回焊爐)時,空氣會受熱膨脹而有爆孔(out-gassing)的危險。 
這通常發生在預熱不良的 reflow profile,當升溫太快空氣快速膨脹,氣體無法有效逸出,最后就會爆出錫球外面。
3、錫膏會因為毛細現象(pertaining to capillary)而流到導通孔內部,造成必須焊接觸的錫量不足或缺焊等現象;甚或流到板子對面,造成短路的情形。
可是隨著產品設計越來越小,PCB設計布線工程師(layout engineer)對于電路板上的領土已到了輜銖必較的地步,有時候還是應該是有些可以妥協空間。所以也就有了一些變通的方法來處理焊盤上的導通孔,下面圖示由A~E表示五種導通孔及其對SMT制程的影響:
通孔在墊(vias-in-pad)的五種設計
A) 導通孔完全沒有處理。 
這應該不會被制造工程師所接受,因為錫在受熱之后會流經此導通孔,造成焊錫不足、空焊等不良現象,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)。 
勉強可以用,但還是有很大的風險,錫量可以被控制,但錫膏覆蓋于半埋孔之上時,會把空氣封鎖在半埋孔內,當電路板經過回焊爐(reflow)加溫后,空氣會因膨脹而爆開錫膏,或形成逸出通道,短期使用可能沒問題,但長期使用之后,可能會從逸出通道的地方慢慢裂開,最后造成接觸不良。
B)、D)是最好的導通孔設計。 
錫膏焊盤上面沒有孔洞影響錫膏量,也不會額外形成氣泡。
E) 可以使用,但價格較貴。 
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起來,填補的洞孔位置會稍有下陷,所以必須要求控制在一定尺寸之內,尤其是有 0.5mm pitch BGA 的板子。要注意:這種制程的板子一般會增加大約10%的價錢。 
部分BGA 布線時為了加強焊盤附著于電路板的強度會採取將通孔設計于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度。
以下是以最近很夯的QFN中間接地焊盤為例子說明,現在的QFN大部分被拿來當成電源控制器,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真的是千奇百怪的結果都會發生。
↓這是最不好的設計,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。 ↓這也是不好的設計,但部份通孔已經用綠漆(mask)蓋上,但仍有部份通孔未塞孔。 ↓這個設計勉強可以接受,只剩下正中間一個通孔沒有塞孔,而且孔徑也變小了。
這是最不好的通孔設計,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計,但部份通孔已經用綠漆(mask)蓋上,但仍有部份通孔未塞孔。 這個通孔的設計勉強可以接受,只剩下正中間一個通孔沒有塞孔,而且孔徑也變小了。


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