用滲透染紅試驗 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊錫

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Red Dye Penetration Test(滲透染紅試驗)」是檢驗電子零件的表面貼著技術(SMT)有無空焊或是斷裂(crack)的一種技術這是一種破懷性的實驗,通常被運用在電子電路板組裝(PCB Assembly)的表面貼著技術(SMT)上,可以幫助工程師們檢查電子零件的焊接是否有瑕疵。因為是破壞性實驗,一般僅運用在已經無法經由其他非破壞性方法檢查出問題的電路板上面,而且幾乎都只運用在分析 BGA(Ball Grid Array) 封裝的 IC,通常是為了可以更瞭解產品的不良現象,以作為後續生產的品質改善參考,或是為了釐清責任時使用。

其方法是利用適當黏稠度的紅藥水(紅墨水)注射到懷疑有焊習性不良的 BGA IC 底下,要先確認紅藥水已經完全進入到 BGA IC 底下,等一段時間或烘烤待紅藥水乾了以後,用工具(通常是一字起子)從電路板(PCB)上直接撬起,也有用膠黏住 BGA IC 然後用拉拔機器把 IC 硬取下來的。要注意:加熱溫度不可操過焊錫重新熔融的溫度。



其實我覺得這個方法滿像一般水電或管路工人在抓漏的道理,先倒一點有明顯顏色的溶劑,然後看看那邊滲漏。

以上是自己土法煉鋼的方法,較專業的方法應該要把電路板上懷疑有焊接(solder)問題的地方切割下來,然後將其整個浸泡到紅藥水當中,再放入超音波振盪機(Ultrasonic cleaner)中震盪一段時間,讓紅藥水可以均勻地滲透到所有的裂縫深處,然後再取出烘烤,烘烤目的只是要烘乾紅藥水而已,所以不需要使用太高的溫度,然後把待測樣品夾到治具中,將 BGA IC 拉開電路板,然後用高倍顯微鏡觀察其染色現象。

觀察已經被撬起的電路板焊墊(pads)及IC的焊球(balls)是否有被染紅的痕跡,如果有焊接不良,例如裂痕、空焊等現象應該都可以看得出來有紅藥水的痕跡。

其原理是利用液體具有滲透(penetration)的特性,可以滲透到所有的縫隙來判斷焊接是否完好。一般的 BGA IC,其焊球的兩端應該要個別連接到電路板及BGA IC本體,如果在原本應該是焊接的球形地方出現了紅色藥水,就表示這個地方有空隙,也就是有焊接斷裂,再由焊接斷裂的粗糙表面來判斷是原本的焊接不良,或是後天不當使用後所造成的斷裂。

一般來說,空焊及焊接不良的焊錫表面呈現圓滑狀,因為焊錫具有較強的內聚力,但也有例外,比如說氧化或異物污染亦會形成粗糙面;至於後天斷裂的表面則呈現較不規則的尖銳凹凸表面。

↓下圖為 Dye Penetration Test 的結果,可以很明顯的看出來左下角有很多顆的 BAG 焊球墊有沾染到紅藥水,表示這幾顆的焊球(balls)有空焊或斷裂的情形。
Red_Dye_Penetration_Test


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Comments

Dear 工作熊:

首先對您的專業及樂於分享的精神表達無上敬意!!

想請問您, 這種紅滲透實驗是否適用於Conn這種零件呢?
另外, 破裂的Defect Mode是否能從斷面位於不同層(PCB Pad-IMC-Sn層-IMC-Comp. Pad)來判斷呢?

Ocean;
這真是一個好問題,首先我個人認為如果你要檢查Connector有無裂縫,只要使用高被顯微鏡即可看出有無細小的crack,你不需要用到這種染紅試驗,何況染紅試驗還會污染斷裂的表面,增加真因判斷的困難度。
其次 Defect Mode 應該可以由斷裂面來判斷原因,如果零件與 PCB 之間有生成一定的IMC,那就可以判斷融錫焊接正常,也就是說reflow profile應該是正確的執行,不論是 PCB Pad-IMC 或 Comp-IMC,只是這些都必需要作切片才可以判斷。

Dear 工作熊:

感謝您的回覆, 基本上我也是對客戶這樣解釋的。

但即使已經看出IMC層生成了, 還是被質疑焊接強度不足(推力實驗有5KG以上), 要求我們依BGA的推力實驗方法來分析CONN錫裂的Defect Mode, 用以解釋為何錫裂發生在焊錫與PCB Pad間的IMC層而非其他界面…

看來也只能Nike了….Just do it!

Ocean;
零件會掉落一定是從最脆弱的地方掉落,會斷裂於IMC表示有應力施加於Connector之上,而且經過一定時間後IMC的強度無法持續負荷這個應力,最後發生斷裂,就我的瞭解IMC幾乎都是整個焊接過程中會脆弱的地方,要不你可以跟客戶討論看看,假設斷裂一定會發生,那應該發生在那一層?
另外,反過頭來我們也得追究看看IMC層有否問題,你可以試著量測看看IMC層的生成厚度是否介於1~3um之間,如果太薄與就不好了,另外也要注意IMC層是否有逸散離開了原本位置的趨勢,分崩離析的 IMC層無助焊接強度。
至於把Connector與BGA的推力做比較,也不是不可以啦,但前提是以面積來比較,而不是用零件數來比較,多少個錫球會有多少焊接面積對比多少隻Connector會有多少焊接面積來做比較才筆合理。推一個零件5Kg無法說明什麼,而應該比較單位面積成受了多少力量。
以上純粹是個人意見~

前輩,想要請教一下,我們近期有把PCB送到SGS進行紅墨水分析,可否知道紅墨水業界是否有一個判定的標準或者至少的規範?因為看報告中,把滲透比例分為四個標準,然後記錄每個標準內共有幾個PAD發生,但沒有判定標準,可否請教,感激

快樂海蟑螂;
一般也是根據 IPC-7095 7.4.1.6BGA 來判斷孔洞的允收標準,孔洞的標準可以參考這篇文章的最下方處 http://www.researchmfg.com/2010/08/bga-solder-skip-identification/
另外也會有人自行定義超過 25%就判定不良。
就我的了解並沒有很清楚的規範。

前輩,了解,感激…最近送了兩個板子出去,一家打件完全沒有滲透,另外一家就四個等級都有…打件廠的品質好壞應該上下立見…..

想請教您關於Red Dye Penetration Test(滲透染紅試驗)
所用的紅藥水(紅墨水)是那一種廠牌型號的?黏稠度…等等?

CC;
這個只要找有提供膠的大廠應該有才對,相關的黏度及烘烤方式也都可以問供應商。

Dear 工作熊前輩,
想請教一下如果把IC拔起後發現斷裂的錫球斷裂面僅一部分有紅墨水,剩下的部分沒有染到紅墨水,請問這樣允收嗎?因為這顆錫球照道理說還是有導通,只是有一部分斷裂,但應該不會對IC的funciton造成影響,不知道這樣在紅墨水測驗的標準下算是允收還是不允收?麻煩前輩給予指教,謝謝!!

Lionel;
紅墨水的運收表準可以參考這一篇文章,http://www.researchmfg.com/2012/01/penetration-accept-criteria/,但新的標準好像已經統一BGA氣泡為25%最大了。看來我得找時間在整理一下文章。

BGA viod最大允收標準是<25%(指占球體積)
這個標準好像源於美國的一個行業協會訂立的標準
還是幾年前看到的,現在找不到當時的資料了

志浩;
這份資料就是 IPC-7095B。

熊大!!關於文章中有部分說明我覺得有些問題
“較專業的方法應該要把電路板上懷疑有焊接(solder)問題的地方切割下來"
建議是整塊板子下去染會比較好一點,
因為在切割的過程中若是因為震動造成錫裂,導致dye stain的結果fail
這會非常難以解釋在生產過程中到底是哪裡出了問題

Ewew;
這其實就跟切片到道理是一樣的,切片也必須把板子有問題的地方切下來才能做更精密的研磨,因為一般的實驗裡無法使用太大的容器來盛裝紅墨水,而且如果真的把整片板子拿下去容器全不染紅好了,有可能也會因會其他零件的阻礙而造成染紅失敗,所以重點就是如何在切割的過程中不去破壞原來的結構,致造成後續的誤判,高速切割機並使用緩衝軟墊來減少切割時的振動都有其必要…

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