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PCBA大讲堂:BGA虚焊NWO(Non-Wet-Open)形成的原因及可能解决方法
最近常有网友询问BGA封装IC碰到NWO问题该如何处理?其实一般的NWO(Non Wet Open)几乎都发生在BGA封装IC的边缘及角落,而其原因也大多是因为BGA的载板(substrate)或PCB流经回焊(reflow)炉时板子材料不耐高温变形所致,其现象的具体呈现其实与HIP(Head-In-Pillow,枕头效应) 也极为类似。
这NWO(Non Wet Open)发生的可能原因有很多,比如说板材变形、焊垫/焊盘氧化、温度热能未达到融锡要求、防焊印刷偏移…等,不过有80%以上的问题几乎都来自于板材变形。
另外,从NWO发生的现象观察,其不良现象或许有机会可以使用X-Ray检查出来,因为印刷在NWO焊垫上的锡膏经过回焊后几乎全被BGA的锡球给吸走了,照这种逻辑来推论,那么发生NWO位置的锡球应该会比其他正常的锡球来得大才对,所以有机会用X-Ray检查出来。
NWO发生原因:板材变形
电路板在流经回焊炉的恒温浸泡区(soak zone)时,电路板会因为受热而开始慢慢地弯曲变形,因为一般电路板大概只会选用Tg>150(Tg为玻璃转换温度)左右的板材来节省成本,随著回焊炉内的温度越来越高,电路板的变形会越来越严重,另外,板材厚度越薄及所负载的零件重量越重时,其变形量也会越加明显。
有些原本焊接在PCB焊垫上的锡膏会黏在BGA的锡球上,随著温度渐渐升高,BGA的锡球与电路板间空隙越来越大,锡膏会渐渐地被带往锡球的方向,到最后全部黏在BGA的锡球上,当炉温到达融锡温度时,BGA的锡球与电路板焊垫间的空隙也来到了最大,也就是说当锡球与锡膏完全熔融时并未接触到电路板的焊垫,直到回焊炉的温度再次回到焊锡的熔点前都未能接触到焊垫。
当回焊炉开始降温到低于焊锡的熔点之后,电路板也逐渐从弯曲变形中慢慢恢复到原始状态(事实上有些状况根本回不来),但这时候所有沾附在BGA锡球上的锡膏早都已经与锡球融为了一体,冷却后再与焊垫接触时就只会像公车站般靠在电路板的焊垫上而已,两者并未焊接在一起,当板子因为某些情况再发生稍微变形,就会形成开路,这大概就是电路板焊垫上无锡NWO的现象。
上图将NWO(Non-Wet-Open)与HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-of-Pillow)在SMT的Reflow温度曲线下形成的原因稍微做了解释,基本上两者都是因为板材变形所致,只是HIP的锡膏会保留在电路板的焊垫上,但NWO则完全转移到了锡球。
解决方法:其实不论你想解决HIP或NWO,其方法不外乎降低板弯板翘的发生率与增加BGA焊垫的锡膏量两种。目前虽然有对策但却仍无法100%解决,或是投资与收穫不成正比,所以得自己判断如如才是最有效降低其不良率的方法。
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NWO发生原因:焊垫/焊盘氧化
依据上面的解说,其实NWO的现象就是焊垫上没有吃锡,所以,如果有焊垫/焊盘出现氧化,就算板子没有因为温度而变形也会造成同样的现象Non-Wet现象。
解决方法:如果是焊垫氧化,当然就得处理PCB咯!
NWO发生原因:焊垫温度热能未达到融锡要求
另外一个造成NWO的原因是焊垫的温度无法有效达到融锡的要求,这种现象通常发生在BGA中间的锡球部份,或是连接有大片铜箔的接地焊垫。
BGA中间的位置,尤其锡球颗数较多的大型BGA封装,其底下焊垫的升温因为受到本体的阻隔,所以受热升温会从最外围的焊垫开始往内延伸,如果回焊温度曲线调整的不好,就有可能造成BGA中间区域的焊垫未受热完全就开始降温,以致形成NWO的情形。
焊垫连接大面积基地铜箔会拉低焊垫温度上升的速度,因为大部分的热能都被接地铜箔给吸走了,当其他焊垫已经达到了融锡的温度时,这些连接了大面积铜箔的焊垫却还未达能到该有的温度,于是焊垫上的锡膏就会被BGA上温度比较高的锡球给抢走,一旦回焊炉的温度开始下降,就会形成NWO的现象。
解决方法:一般的建议会先调整回焊炉温的曲线以得到最佳化,这样也是最便宜的方法,可以考虑增加恒温浸泡区(soak zone)的时间,让所有的焊垫都可以达到一定的温度后才进入回焊区(reflow zone)。
另外,对于连接到大面积铜箔的焊垫建议要变更佈线增加【热阻焊垫/限热焊垫(thermal relief)】的设计,以求有效降低大部分热能被大面积铜箔吸走的机会。
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