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簡介用紅墨水試驗 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊錫有否破裂
「Red Dye Penetration Test(滲透染紅試驗)」又稱「紅墨水實驗」，也有人稱「Dye and Pry」意思是染色後將之翹起，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，通常被運用於電子電路板組裝(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焊接是否有瑕疵。
因為Red-Dye是一種破壞性檢驗，一般僅會被應用於已經無法經由其他非破壞性方法檢查出問題的組裝電路板上，而且幾乎都只應用在分析BGA(Ball Grid Array)或LGA封裝的IC，因為BGA及LGA的焊點都在零件本體下方，無法經由直觀的光學儀器來檢查並判斷其焊錫性是否良好。
近年來【3D CT X-Ray】逐漸成熟，有機會用X-Ray光學檢查出焊錫破裂問題，但還是欠缺解析度，而且掃描時間過長，仍然有待進一步提昇效能與能力。
做Red-Dye檢驗通常是為了可以更進一步瞭解產品焊接的不良現象，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。
紅墨水實驗的觀念澄清：
首先要先認清紅墨水測試的目的在使用紅色染劑滲透裂縫的特性來尋找BGA錫球破裂或枕頭效應之問題。
錫膏在經過加熱焊錫後會有一層助焊劑殘留於BGA錫球的周圍，雖然很多人不一定看得見這層助焊劑，但它就是存在，如果是水洗錫膏與製程，助焊劑可能會被水洗清除，但現在幾乎都已改為免洗製程，所以一定會有助焊劑殘留。
這些助焊劑如果沒有被清除就有可能阻礙紅墨水滲透進BGA錫球焊接裂縫，所以如何有效清除錫球周圍的助焊劑就變得非常重要，BGA的尺寸越大或錫球間的間距(pitch)越小，就越要留意助焊劑清除不乾淨的問題，一般會建議浸泡溶劑一段時間後再使用超音波震盪來清洗。
開始染紅測試時，一般建議水平擺放後將紅藥水點在BGA本體邊緣的相鄰兩側進行Ｌ型的路徑塗藥水，讓藥水自動滲透進BGA本體下方，並自然流出沒有塗藥水的另外兩側，這樣可以有效的讓藥水完全滲透到BGA底下的所有角落，也可以有效避免陰影效應或包風現象，不建議垂直立起PCBA來加速紅墨水滲透，如果要一勞永逸陰影效應及氣泡問題，也可以考慮將整片板子放入紅墨水中再用超音波震盪讓紅墨水完全滲透，或是抽真空。
自己土法煉鋼做紅墨水測試的方法
其作業方法是先用溶劑清除BGA本體底下的助焊劑，這點很重要，也是許多新手容易忽略的步驟。
然後再利用具有適當黏稠度的紅藥水(紅墨水)注射到被懷疑有焊錫不良的BGA零件或是CSP(Chip Scale Package)封裝底下，注射時建議把板子稍微傾斜一點點，只從一端（建議是直角處）開始將紅墨水慢慢注入，以避免氣泡產生造成紅墨水滲透不足，一定要持續注射直到零件的四週都充滿了紅墨水才算初步完成，確認紅藥水已經完全滲透到BGA底部，建議可以多注射一點而不要少注射。
注射後水平靜置一段時間或烘烤，待紅藥水乾了以後，用工具將BGA從電路板(PCB)上直接剝離，切忌最好不要破壞BGA本體。一般如果是自己土法煉鋼的會拿一把一字起子將BGA撬起，較嚴謹的作業應該使用AB膠環氧樹脂黏著在BGA本體上，然後用拉拔機器將BGA硬拔下來。
請要注意：加熱烘烤時溫度不可超過焊錫重新熔融的溫度。
工作熊覺得這個方法其實還蠻像一般水電或管線工人抓漏的道理，先倒一些有明顯顏色的溶劑，然後看看那邊的水有顏色就可以抓到漏水滲漏的地方。
嚴謹實驗室做紅墨水測試的方法
較專業的紅墨水實驗方法，應該要把組裝電路板上懷疑有焊接(solder)問題的地方切割下來，使用溶劑清除助焊劑，然後再將其整個浸泡到紅藥水當中，如果板子不大，也可以整塊板子放到紅藥水中，再放入超音波振盪機(Ultrasonic cleaner)內震盪一段時間，讓紅藥水可以確實均勻地滲透到所有的裂縫深處，然後再取出烘烤，烘烤的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 本體從電路板上拉離，然後用高倍顯微鏡觀察其染色程度。
現在的方式大多不再使用超音波振盪，因為擔心把原本還沒斷裂的焊錫震斷掉，所以選用的紅墨水型號就要特別注意，必須選用可以確實滲透到裂縫中並染色的適當紅墨水，另外有網友反饋建議浸泡後最好要抽真空，以確保紅墨水可以滲進入到每個縫隙當中。
顯微鏡下檢查焊錫是否有斷裂、空焊或其他缺點
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，例如裂縫、虛焊、空焊等現象應該都可以看得出來有紅藥水滲透於錫球斷裂面的痕跡。建議要多個角度觀察以避免因為光線造成的誤判。使用BGA焊點分佈表格來紀錄錫球焊點的狀態。
紅墨水實驗的原理是利用液體具有滲透(penetration)的特性，可以滲透到所有的焊錫縫隙來判斷焊接是否完好。一般的 BGA IC，其焊球的兩端應該都要個別連接到電路板及載板本體，如果在原本應該是焊接的位置出現了紅色藥水痕跡，就表示這個地方有空隙，也就是有焊接斷裂或是其他問題，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會呈現出圓滑狀，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造成的焊接不良也會形成粗糙面；至於後天斷裂的表面則呈現較不規則的尖銳凹凸表面，但是如果是長期使用後斷裂者也可能出現光滑表面。
↓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。
至於紅墨水實驗的允收標準，請參考另一篇文章：紅墨水染紅測試分析的允收標準
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訪客留言內容（Comments）
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!
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
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!!
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
此紅墨水實驗, 是否適用FPC(flexible printed circuit board), 因我司目前應用之BGA都是(6mm*12mm*0.8mm , ball pitch 0.5mm).
謝謝!!
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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?