什麼是 BGA 空洞？成因、IPC 規範與解決方案

在 SMT（表面貼裝技術）高風險的世界裡，BGA（球柵陣列）是現代高密度電子的關鍵元件，但它也帶來了複雜的挑戰：BGA 空洞。分析固然重要，但任何 PCB 設計師或製造商的最終目標都是預防。

與可見焊點不同，BGA 連接隱藏於內部。空洞——即固化焊料中滯留的氣泡——會削弱導熱與機械完整性。

在 JLCPCB，我們透過嚴格遵循 IPC 標準、先進的 DFM 檢查與精準的回流曲線，優先降低空洞率。本指南聚焦於可操作的策略，以實現近零空洞。

什麼是 BGA 空洞？它如何在焊點中形成？

BGA 空洞本質上是焊點內部的空腔。當助焊劑或電路板濕氣中的揮發物在回流過程中轉化為氣體，卻在焊料固化前無法逸出時，就會形成空洞。

焊膏熔化時，助焊劑載體在清潔金屬表面時產生氣體。理想情況下，這些氣泡因浮力上升至表面並消散。然而，若熔融焊料的表面張力過高，或冷卻階段過早開始，氣體就會被困住，實際上在金属接點內凍結了一顆氣泡。

技術備註：空洞形成的物理學是浮力（將氣體推出）與黏滯阻力／表面張力（將氣體留住）之間的較量。

圖： 因 SMT 回流時助焊劑排氣，空洞被困在焊球內。

PCB 組裝中 BGA 空洞的常見根本原因

要減少空洞，首先得了解其來源。約 90% 的空洞問題源自以下四個方面。

原因 1：焊膏化學成分與助焊劑揮發物

所用焊膏類型是主要因素。焊膏由金屬合金球與助焊劑載體混合而成。

● 高揮發物含量：為提高潤濕性而設計的助焊劑常含更多揮發性溶劑。若這些溶劑在回流的「浸潤」階段未能完全揮發，將在「回流」階段劇烈沸騰，形成大空洞。

● 無鉛合金：SAC305 等無鉛合金比傳統 SnPb 焊料表面張力更高，使氣泡更難逸出。

原因 2：回流熱曲線不當

電路板在回流爐內經歷的溫度曲線至關重要。

● 浸潤時間過短：「浸潤區」（通常 150°C 至 190°C）應讓揮發物燒掉。若此階段太短，氣體仍滯留。

● 液相線以上時間（TAL）過短：若焊料保持熔融的時間太短，氣泡無足夠時間升至表面破裂。

圖：SMT 回流熱曲線顯示延長浸潤區以降低 BGA 空洞。

原因 3：PCB 焊墊設計與焊盤中導通孔缺陷

這是 JLCPCB 收到的 Gerber 檔案中常見的問題。

● 開放焊盤中導通孔：若導通孔直接置於 BGA 焊墊而未填塞或覆蓋，空氣會像煙囪一樣從板底經導通孔上升，衝入熔融焊球，形成巨大空洞。

查看我們的「焊盤中導通孔」能力，了解我們如何為高密度設計處理填孔。

圖：展示開放焊盤中導通孔設計如何造成巨大 BGA 空洞，相較於填孔技術。

原因 4：鋼板開孔與印刷問題

若 SMT 鋼板沉積過多焊膏，過量的助焊劑體積會產生無法逸出的氣體。反之，1:1 圓形開孔常在印刷時於角落困住空氣。

BGA 空洞的類型與分類

並非所有空洞都相同。辨識空洞「種類」有助於排查根本原因。

1. 宏觀空洞（製程空洞）：最常見，由助焊劑氣體被困造成，通常隨機漂浮於焊球上半部。

2. 平面微空洞：位於焊料與焊墊介面的小而危險的空洞，常由表面處理問題（如 ENIG 黑墊）引起，可能導致災難性「枕頭效應」失效。

3. 收縮空洞：看似鋸齒裂紋而非光滑氣泡，在冷卻階段形成，當焊球外部先硬化，內部金屬收縮產生真空腔。

圖：BGA 空洞類型：宏觀空洞、平面微空洞與收縮空洞。

IPC 標準對 BGA 空洞的可接受水準

重要的是並非所有空洞都是失效。實際上，小空洞有時可阻止裂紋擴展。然而，可靠性取決於空洞的大小與位置。

業界標準為IPC-7095（BGA 設計與組裝製程實施）。

如何減少並預防 BGA 空洞：經證實的解決方案

若您正在設計可製造性（DFM）或設定製程，以下方法可將空洞控制在 25% 以下。

1. 最佳化回流曲線

對 BGA 組裝而言，「斜坡－尖峰」曲線常遜於「斜坡－浸潤－尖峰」曲線。

● 延長浸潤：增加浸潤時間（60–90 秒）讓助焊劑溶劑在合金熔化前排氣。

● 控制冷卻：受控冷卻速率可防止收縮空洞。

2. 鋼板設計最佳化

BGA 焊墊別再用標準圓形開孔，可考慮「窗格」或「本壘板」設計。

● 窗格：將大開孔分割成四個小方格，可減少總焊膏量並提供氣體逸出通道。

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圖：BGA 焊墊的鋼板開孔設計，包括本壘板與窗格，以利氣體逸出並降低空洞。

3. 選用低空洞焊膏

改用專為「低空洞」配方的焊膏可立即見效。這類焊膏常使用能在更低溫度排氣的特定活性劑。

除標準製程設定外，以下實用技巧供 PCB 設計師與組裝技術員在板子上線前降低空洞風險。

4. 選用 NSMD（非防焊限定）焊墊提升潤濕性

可行情況下使用NSMD 焊墊。NSMD 設計的防焊開口大於銅墊，周圍留有細縫，利於氣體逸出，相較於 SMD（防焊限定）焊墊的防焊覆蓋銅面更佳。NSMD 焊墊亦能提供更佳的焊點應力緩解。

圖：SMD 與 NSMD 焊接差異

5. 控管濕敏等級（MSL）與元件烘烤

BGA 封裝或 PCB 基材內的濕氣在回流時變成蒸汽，助長空洞。

● 實用技巧：若 BGA 元件已暴露於濕氣，組裝前務必依 J-STD-033 標準烘烤。JLCPCB 遵循嚴格儲存協議，確保上線前元件乾燥。

6. 焊盤中導通孔採用 POFV（電鍍填孔）技術

若設計需將導通孔直接置於 BGA 球下（常見於 0.4 mm 間距零件），必須使用 POFV 技術。

● 風險：標準防焊覆蓋不足以阻氣，空氣會衝破防焊層。

● 解決方案：JLCPCB 的 POFV 製程以環氧樹脂填孔並電鍍銅覆蓋，形成平坦、氣密的表面，消除導通孔引起的空洞。

圖：JLCPCB 焊盤中導通孔與覆蓋及塞孔導通孔的比較

7. 正確處理焊膏

開罐前讓焊膏自然回溫至室溫。開冷罐會引入凝結水，成為空洞主要來源。

JLCPCB 如何在量產中控管 BGA 空洞

處理 BGA 需要先進設備與經驗工程師的協同。

● 精度：我們支援細間距 BGA 至0.35 mm。

● 驗證：X-Ray 檢驗是標準流程，非昂貴附加。

● 效率：智慧工廠依您的特定 BOM 與板厚最佳化回流曲線。

了解更多：JLCPCB PCB 組裝能力

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X-Ray 檢測（AXI）於 BGA 空洞偵測與分析

由於 BGA 接點夾在元件與 PCB 之間，目檢（AOI）無用，肉眼無法看見空洞。

因此自動 X-Ray 檢測（AXI）是可靠 BGA 組裝的必備手段。X-Ray 可穿透矽與 FR4 材料，卻被鉛錫合金阻擋。在 X-Ray 影像中，焊球呈深色，空洞則顯示為球內較亮的斑點。

JLCPCB 對所有含 BGA 的 PCBA 訂單採用高解析X-Ray 檢測。品保工程師依 IPC 標準量測空洞百分比，若超出安全閾值，板子將在出貨前被標記重工或拒收。

圖：2D X-Ray 檢測影像顯示球柵陣列組裝中的 BGA 空洞偵測。

BGA 空洞常見問題

Q1. 有可能達到 0% BGA 空洞嗎？

實際製造環境中，整顆 BGA 達到 0% 空洞極為困難，因助焊劑排氣物理限制。即便 IPC Class 3 高可靠標準也允許部分空洞（最多 25% 面積）。目標非完全消除，而是控制空洞大小與位置，確保不影響機械或電性完整性。

Q2. 烘烤元件能消除 BGA 空洞嗎？

組裝前烘烤元件（MSL 控管）可去除封裝內濕氣，防止「爆米花」裂紋。雖可消除濕氣導致的蒸汽泡，卻無法阻止焊膏助焊劑排氣造成的空洞。需同時做好元件儲存與正確回流曲線。

Q3. 組裝後能修復 BGA 空洞嗎？

可以，但屬侵入性製程。若 X-Ray 偵測過量空洞，需用熱風重工台將整顆 BGA 拆下，清理焊墊，再重新焊接新元件。多次重工會對 PCB 焊墊造成熱應力，因此首選 JLCPCB 的受控製程一次到位。

Q4. 為何無鉛（RoHS）製程更易空洞？

無鉛焊料合金（如 SAC305）表面張力更高，且需更高回流溫度。更高表面張力使氣泡難脫離熔融金屬而被困。此外，更高熱量會使助焊劑更劇烈揮發。

Q5. PCB 表面處理如何影響空洞？

焊墊的平整度與氧化層級有關。ENIG（化鎳浸金）因平整度高，一般為 BGA 首選。但若金鎳介面劣化（黑墊），會造成平面微空洞。HASL（熱風整平）平整度較差，可能導致焊膏印刷不均，間接造成空洞。

Q6：BGA 空洞多少算過量？

對大多數應用，BGA 空洞應控制在焊點面積的25% 以下，符合 IPC 業界標準。

Q7：為何現場 BGA 重球常失敗？

現場 BGA 重球常因一般維修店缺乏工廠的精準熱曲線與 X-Ray 檢測而失敗。無法均勻加熱會使電路板翹曲，導致數百顆微焊球無法一致接觸。

此外，滯留濕氣會在回流時使晶片內部龜裂（爆米花效應）。最終，這些「盲」維修無法保證長期可靠所需的次微米對準。

結論

BGA 空洞預防需結合設計（DFM）、製程（曲線）與材料（焊膏）的整體方法。透過實施這些策略——最佳化回流曲線、選擇合適焊膏、採用 POFV 技術並遵循嚴格處理規範——可大幅降低現場失效風險。

不論您正在開發複雜的 IoT 原型或擴大量產，JLCPCB 均以專業技術與嚴格檢測，每次提供無空洞、高可靠的組裝。