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如何從紅墨水實驗測試中判斷BGA開裂的真正不良原因？
當發生BGA失效而使用「紅墨水（Red Dye）」實驗測試來分析問題並發現有錫球開裂的情形時，你知道要如何判斷其真因嗎？還是紅墨水就只能告訴我們有無錫球開裂而已，其他的就只能自求多福？
一般BGA錫球開裂大致可以歸納為HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-On-Pillow)與NWO(Non-Wet-Open)以及焊錫後應力造成等三大現象，但每種現象都可能包含複合原因，其實如果想知道BGA錫球開裂是何種不良現象的最好的方法是做切片並打照電子顯微鏡(SEM)，這樣才能比較有客觀的證據來證明真因。不過切片前必須先透過電性測試的方法確認是哪幾個錫球有問題，這樣才能針對錫球來做切片。
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紅墨水染紅測試分析的允收標準
簡介用紅墨水試驗 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊錫有否破裂
說真的，工作熊個人並不是很喜歡用「紅墨水」來分析BGA錫球開裂的問題，因為紅墨水測試很容易出差錯，操作上一不小心就可能破壞掉原始的證據與現象，而且不易判斷真因。但紅墨水確實是目前最便宜的檢測方法，而且只要有烤箱，買了紅墨水就可以自己做，只是紅墨水是一種破壞性測試，如果你的樣品只有一個，建議你還是先透過X-Ray檢查是否有空焊以及使用「光纖攝影機」來檢查BGA邊緣的錫球有無發生HIP或NWO的現象。
如果你的不良樣品夠多，不只一個，工作熊才會建議在切片前先使用紅墨水來做初步的驗證，因為一般使用紅墨水測試大概只能看出錫球有無開裂，以及錫球開裂的分佈。
嚴格來說，在紅墨水測試後應該將之置放於高倍顯微鏡下觀察其開裂的斷面現象，要了解其斷面為光滑圓弧斷面或是粗糙斷面以判斷是HIP/HoP或NWO的SMT製程問題，或是之後因為組裝或成品使用時跌落地面所造成的外力衝擊損傷。
所以紅墨水測試時應該記錄下列的現象：
- 記錄每個錫球被紅墨水染紅的面積。
- 觀察並記錄錫球斷裂在錫球與BGA載板之間（繼續檢查BGA載板的焊盤有無剝離現象，紅墨水是否進入到焊墊剝離處）、錫球與PCB之間（繼續檢查PCB的焊盤有無剝離現象，紅墨水是否進入到焊墊剝離處）、斷裂於錫球的中間（檢查斷面形狀）。
- 記錄所有斷裂面的外觀形狀、光滑或粗糙。
紅墨水測試的結果判斷（可能會有其他符合原因）：
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如果斷裂發生在錫球與BGA載板之間，就繼續檢查BGA載板的焊盤有無剝離現象，紅墨水是否進入到焊墊剝離處，如果有，這可能關係到問題來自BGA載板的品質問題或BGA載板的焊盤強度不足以負荷外部應力所造成問題的責任歸屬。
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如果斷裂發生在錫球與PCB之間，就繼續檢查PCB焊盤有無剝離現象，紅墨水是否進入到焊墊剝離處，如果沒有，則可能是NWO問題，但是要繼續觀察斷面的形狀及粗糙度，如果焊墊剝離且紅墨水進入剝離處，則問題可能來自PCB板廠的品質或是PCB本身的焊盤強度就不足以負荷外部應力所造成的開裂。
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如果斷裂發生在BGA錫球的中間，就要繼續觀察其斷面為圓弧面、光滑面、粗糙面、平面，如果是光滑的圓弧面，就有可能是HIP，相反的就比較偏向外部應力引起的開裂。
如果是NWO及HIP則偏向製程問題，這類問題通常是因為PCB板材或是BGA載板過reflow高溫時變形所引起，但變形量也關係到產品的設計，PCB上的銅箔佈線不均勻或太薄時會比較容易造成變形。其次是焊錫鍍層氧化。
延伸閱讀：板彎板翹發生的原因與防止的方法
BGA錫球因外部應力造成的開裂一般有下列幾種可能：
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板階測試造成。
一般的板階測試會使用針床之類的測試治具，如果針床治具上的應力分佈不均就可能產生BGA錫球的破裂。可以使用應力-應變分析儀檢查。
建議閱讀：BGA錫裂，使用應變片(Strain Gauge)量測電路板到底那個環節產生較大變形量 -
成品組裝造成。
有些設計不良的成品組裝作業，可能會彎折到電路板，這有可能是鎖螺絲、使用卡勾定位、成品機殼支撐電路板的機構未設計在同一水平面上…等原因所造成，也是可以使用應力-應變分析儀來檢查。 -
成品於客戶端因使用不小心而掉落地面的衝擊所造成板彎應力。
這個也可以使用應力-應變分析儀來模擬落下時的變形量算出來。 -
因為環境溫度變化所造成的熱脹冷縮變形。
這個原因比較少見，因為在研發階段應該就可以抓出來，除非沒有徹底執行模擬環境測試。
請記得：如果是應力造成的錫球破裂當然會先從其最脆弱的地方開始破裂，如果是SMT的reflow焊接沒有焊好，就應該會斷裂在BGA的錫球(ball)與電路板的焊墊之間，暫且不考慮材料氧化問題。如果是焊墊的設計太小導致無法承受太大的外力衝擊時（振動、摔落、長期板彎應力），則會造成電路板上的焊墊被拉扯下來的現象，不過這種現象也有可能是PCB廠商當初的壓合不好所造成
建議先閱讀：如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?
延伸閱讀：
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[案例]BGA錫球裂開的機構設計改善對策
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訪客留言內容（Comments）
老師你好，對於BGA增加牢靠度一事請教：
(BGA 錫球熱漲冷縮，增加吃錫量改善)
公司生產Server Board ，在BGA部份pitch 0.8mm type，solder ball:0.35mm, 當做Thermal cycle:750, 會看到在PCB pad吃錫有錫裂，(500次pass,750就會crack)，對策是會在四周的錫球 3X3 pad增加2mil，結果會pass 。
但 若產品的 BGA pitch 0.5mm 時，solder ball:只有9 mil，一樣要求在四周角落增加 2mil 的錫球大小，這樣在做 Thermal cycle: 不是會更容易Crack ? (因為吃錫量更少)
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請問IMC上的錫裂模式可以透過紅墨水分析看到嗎?或是每一種模式都可以透過紅墨水分析看到?