如何從紅墨水實驗測試中判斷BGA開裂的真正不良原因?

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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)HoP(Head-On-Pillow)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。

建議先閱讀:
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:

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紅墨水測試的結果判斷(可能會有其他符合原因):

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。

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BGA錫球因外部應力造成的開裂一般有下列幾種可能:

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
如何從設計端強化BGA以防止其焊點開裂?
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訪客留言內容(Comments)

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?

DH,
不是很清楚你所謂的「IMC每一種模式」的問題點是什麼?
Re-dye基本上無法給予精確判斷是否從IMC錫裂,它只能給你大概是從IMC裂開,精確的判斷要做cross-section。另,Red-dye最主要在判斷有無錫裂,謹此而已。

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)

Danny,
你的疑問不一定成立,因為最大的應力來源為PCB變形,而BGA錫球是否破裂的關鍵,應該是BGA整體焊錫能力是否可以抵抗PCB變形,這時候應該計算整個BGA的所有錫球與PCB的接觸面積,如果無法抵抗應力,接著要看BGA封裝的尺寸來決定,對角線的錫球距離,當然這不是絕對,最後才會看單顆錫球與PCB的接觸面積。
個人建議,如果可以的話,要在PCB上安裝應力應變計,查看PCB的變形量,並研究為何PCB會有如此大的變形。
BGA焊錫破裂的問題影響有可能不是單純的焊錫問題,而是牽涉到整體機構設計。


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