如何使用X-Ray來判斷BGA有否空焊？
我們一般人使用X-Ray大多只能看看焊錫有無短路(short)、少錫、氣泡(void)等問題，但如果要用X-ray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，其實如果可以細心一點，其實還是可以找到一些蛛絲馬跡來判斷BGA錫球是否有空焊喔！
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可能就會難倒不少人，因為每顆BGA的錫球看起來幾乎都是圓的，實在很難看出來有沒有空焊問題，雖然近年來也有號稱可以照出3D影像的【3D X-Ray CT】，但是照一次所費不眥！而且能否如商家所宣稱的那麼神奇，實在不敢妄想。
工作熊這裡分享大家一個小撇步，如何用傳統的2D平面X-Ray影像來判斷BGA錫球是否空焊。
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，假設如果同一顆BGA中有某幾顆錫球有空焊，而大部分錫球沒有空焊的，你認為這兩種焊錫的形狀是否應該會有些不一樣呢？答案是肯定的，試想同樣體積的錫球經過壓縮後，正常的焊錫應該會有一部份錫球的錫分散到PCB的焊墊(pad)上而使得焊球直徑變小；但是，有空焊的錫球則不會，錫球經過壓縮後反而會使錫球直徑變大。
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。
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)。
▼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～
▼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！
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」。
提醒一下，這個方法無法用來檢查BGA錫球因為應力衝擊而斷裂的情況，因為這類BGA通常是焊接良好的板子經過應力衝擊而破裂，無法比較其錫球大小來找到問題。
二、導通孔(vias)導至錫量不足的空焊
另外一種BGA空焊現象是錫量不足造成的，這種現象通常發生在焊墊有導通孔(via)的時候，因為錫球流經回流焊(Reflow)時，部分的錫會因為毛細現象(wicking)流進導通孔(via)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，錫量被導通孔吃掉太多就會造成空焊。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。
相關延伸閱讀：導通孔在墊(Vias-in-pad)的缺點及處理原則
有些via-in-pad或via-on-pad雖然有電鍍填孔，但是填孔後的dimple太深，也會造成類似問題。
▼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)。
▼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。
Posted by 工作熊
26 8 月, 2010
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