BGA錫球斷裂(crack)的紅墨水測試判斷與現象分析

BGA錫球斷裂(crack)的紅墨水測試判斷與現象分析

BGA-IC功能不良真的是很多電子公司的痛,尤其現在的CPU幾乎全都採用BGA封裝,當有開機不良品從客戶端退回,需要分析不良原因時,最常採用的就是紅墨水測試(Red Dye Test)法了,因為紅墨水測試的好處是可以讓人一目了然,瞭解整顆BGA在哪些位置有錫球發生了裂縫(crack)問題,方便製程及研發單位快速了解可能原因與可能的應力(Stress)來源。

不過,這紅墨水測試其實是一種破壞性測試,建議一定要等到所有非破壞性的可行方案都試過了,最後才做這個紅墨水破壞性測試。做過紅墨水測試的樣品,理論上還是可以再拿去做切片(Cross-Section)做進一步的SEM(Scanning Electron Microscope)顯微照相及EDX(Energy-Dispersive X-ray spectroscopy)金屬元素分析,但樣品畢竟已在紅墨水測試時曾經過外力破壞,而且部分區域可能被紅墨水或其他物質汙染,也就是已非第一現場,所以後續的分析結果就會被持以保留態度。







另外,紅墨水測試無法判斷PCB內層是否有問題,有些不良原因可能是PCB的導通孔(via)斷裂,或是內層微短路(CAF, Conductive Anodic Filament)所造成,一旦做了紅墨水測試,這些現象就可能會消失或被破壞。

所以,一般比較謹慎的作法是先用電性測試的手法,盡可能找到是那幾顆錫球與線路可能出現了問題,然後抽絲剝繭,一步步的排查縮小可能範圍,最好還要分得出來是開路還是短路,最後直接做切片,直搗黃龍,一擲中的。

不過本人還是以紅墨水試驗為準來做說明,下面是一般實驗室(lab)做紅墨水試驗後所出的報告格式,有些實驗室可能會有少許的不同,但表示方法都大同小異。

BGA紅墨水錫球斷裂面Type表示:

配合最上面的BGA錫球斷裂面的圖示,下面用顏色來代表錫球(ball)的斷裂面。

    Type 0 錫球無裂縫  
         
    Type 1 裂縫發生在錫球與零件焊墊層之間。 零件焊墊與本體剝離。焊錫性良好。
         
    Type 2 裂縫發生在錫球與零件焊墊層之間。 零件焊墊完整,斷裂在零件端焊錫面。
         
    Type 3 裂縫發生在錫球與PCB焊墊層之間。 PCB焊墊完整,斷裂在PCB端焊錫面。
         
    Type 4 裂縫發生在錫球與PCB焊墊層之間。 焊墊與PCB本體剝離。焊錫性良好。

 

以上的分類中還缺少一樣,就是裂縫發生在錫球的中間,一般來說紅墨水測試(Red-Dye)如果發現有縫隙發生在錫球的中間,就有很大的可能性是SMT有問題,可能是HiP(Head-in-Pillow)/HoP(Head-of-Pillow)現象或錫球內孔洞(Void)過大造成斷裂。

如果是Type 1 或 4 縫隙發生在焊墊底層,一般認為是應力(Stress)所造成的機率最大,而應力可能來自PCB板彎,組裝製程中應力(比如說鎖螺絲、針床測試),使用者彎曲產品,或使用者不小心摔落桌面或地面鎖造成。雖然已經可以證明焊錫(Solderability)沒有問題,但也不排除零件或PCB經過多次回焊高溫洗禮後造成焊墊的Bonding-Force降低的影響,一般來說焊墊都可以在三次以內正常焊錫而不會脫落,如果PCB或BGA零件經過多次重工或不當高溫,也有很大可能造成焊墊脫落的現象。

如果是Type 2 或 3 縫隙發生在焊墊表層,一般認為也是應力(Stress)所造成的機率最大,其次也有可能是「NWO(Non-Wet-Open)」焊錫問題所造成,正常情況下由有經驗的工程師在顯微鏡下觀察就可以判斷是否與焊錫有關,斷裂面如果層光滑亮面則可能為焊錫問題,如果判斷不出來就必須再進一步做切片(Cross-Section),檢查IMC(Intermetallic Component)的生成裝況以做判斷,如果是ENIG的版子,可能還得打EDX看是否有「黑墊(Black pad)」現象,不過如果是黑墊也不應該只有BGA有問題,其他零件多多少少也會出現問題才對?

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BGA紅墨水錫球斷裂百分比Type表示(%):

BGA_crack_judgement_percentage

正常來說只要BGA的錫球有裂縫就不能接受,只是有些裂縫是因為錫球中的空洞/氣泡所造成,根據 IPC-7095B 7.5.1.7規格更新,現在BGA錫球內的氣泡準統一要求要不得大於25%(直徑)或6.25%(面積)。

BGA紅墨水測試錫球斷裂對照表:

Red-Dye_BGA_crack_failure_summary

BGA紅墨水測試錫球斷裂對照表:

從下面不良對照表可以發現,BGA錫球開裂的現象出現在左手邊的上下兩個角落,這也與我們一般看到電路板因為應力(Stress)所造成的BGA錫球開裂不良現象類似,應力最大的作用力出現在BGA-IC的四個角落,而這個位置又位於電路板的正中間位置,也是電路板板彎時應力出現最大的位置。

如果可能的話,工作熊強烈建議BGA的四個角落的位置不要有錫球設計,也可以考慮設計沒有線路的假(dummy)錫球,既可以加強BGA的應力承受度,如果有裂縫問題,也不會影響到功能。

BGA紅墨水測試錫球斷裂對照表

BGA紅墨水測試錫球斷裂對照表

BGA紅墨水測試的照片與實際錫球開裂現象

Red-Dye_BGA_crack_failure_Picture03Red-Dye_BGA_crack_failure_Picture01

從照片中錫球開裂的情形來判斷A1~C1及U1~Y1剛好在BGA位於電路板中間位置的上下兩個角落,所以極有可能是電路板因外力變形所造成的錫球斷裂。請注意一下,這份報告有一個地方標示錯誤,在C1的位置錫球的斷裂面應該在零件面(Component Side,黃色底),但實驗室大概忙中有錯,標成了藍色底的PCB面了。Red-Dye_BGA_crack_failure_Picture02

而U20位置的25~50%錫球裂開看起來有點像是氣泡所造成。

Red-Dye_BGA_crack_failure_Picture04


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