如何看懂實驗室的BGA紅墨水測試報告測試報告的深層意義

如何看懂實驗室的BGA紅墨水測試報告測試報告的深層意義

如果工作熊給你上面這張做完【紅墨水測試(Red Dye Test)】的顯微放大圖片,你可以告訴工作熊這顆BGA發生了什麼事?其實圖片上已經用紅色的框框告訴你錫球破裂的位置了,剩下的你還可以看出多少的故事?

這幾天工作熊一直在做BGA的「紅墨水測試」分析,怎麼好像大家都講好的一樣,突然間來了這麼多不同的產品,板子同時有BGA的問題發生,在與其它部門一起討論紅墨水測試後的結果與可能原因時,才發現原來還有很多人還不太會看實驗室(Lab)做的紅墨水測試報告。







工作熊這裡大致歸納幾個大部分人看不懂紅墨水測試報告的重點:

1. 搞不清楚BGA在零件及PCB的Pin-1位置

PIN-1的位置很重要,不知道Pin-1在哪裡?那你怎麼知道斷裂錫球在PCB的位置,如何判斷可能的應力(Stress) 影響。一般在PCB的絲印層(白漆)上面一定會標示零件的PIN-1位置,有的會打一個圓點,有的則會畫三角形,但這張照片在PCB的PIN-1剛好被紅墨水給遮住了,如果可以的話建議要拿一塊沒有紅墨水的板子對照一下Pin-1的位置。

而BGA零件的Pin-1位置,就如同下圖右方顯示的會在錫球面打一個三角形的符號,一般在BGA正上方Marking處也會打一個圓形來表示Pin-1。

PIN-1的位置很重要,不知道Pin-1在哪裡?那你怎麼知道斷裂錫球在PCB的位置,如何判斷可能的應力(Stress) 影響。一般在PCB的絲印層(白漆)上面一定會標示零件的PIN-1位置,有的未打一個圓點,有的會畫三角形,但這張照片在PCB的PIN-1被紅墨水遮住了,如果可以的話建議那一塊沒有紅墨水的板子對照一下。

2. 弄不清楚破裂錫球在PCB的那個相對位置與錫球斷裂的方向

錫球斷裂的方向,通常代表著應力的來源方向,應力會沿著錫球全裂到半裂,再到無裂的方向前進。

3. 錫球斷裂在零件面?還是PCB面?對問題澄清真的很重要

錫球的斷裂面如果出現在零件端,通常與SMT的製程比較沒有關係,因為來料的時候錫球早就已經焊接在BGA零件上了,就算有問題,絕大部分都是因為應力(stress)所造成的問題,少部分如果發現是焊接出了問題,也大多屬於BGA零件商的品質問題。不過有一點需要特別注意,如果是曾經重工或重新植過球的BGA,就有可能是SMT製程的問題,這個在專業EMS廠應該都會紀錄這類修理訊息。

錫球斷裂面如果出現在PCB板端,要先查看是否連著焊墊/焊盤一起被拉了起來,如果是,表示錫球的焊錫性良好,焊錫強度比焊墊/焊盤的附著力還強。

如果焊墊/焊盤沒有被拉起來,要接著查看其斷裂面是否呈現粗糙形狀,一般受到應力而折斷的斷裂面都會有拉扯過的不規則痕跡的粗糙面,請注意這裡的粗糙面只是一個比較性的說法,一般將錫球斷裂面對著光線看不到亮光反射就屬於粗糙面了,如果是粗糙面則通常是斷裂在IMC(Intermetallic Compound)層,因為IMC層一般是整個焊錫中最脆弱的地方。應力一定會尋求最脆弱的地方突破,就跟水總是往低處流的道理是一樣的。

如果是斷裂呈現光滑面(對著光線看得到反光),就很有機會是焊錫假冷焊現象,比如「HIP(Head-in-Pillow)/HoP(Head-of-Pillow)雙球效應」或「NWO(Non-Wetting-Open)虛焊」。

當然,最好是可以再做切片(Cross-Section)檢查IMC的生成情況來確認錫球吃錫的狀況,一般來說IMC必須要均勻生成,整個焊接面不可以有些地方有IMC,但有些地方沒有IMC。

3. 如何從圖片上判斷錫球斷裂在零件面?還是PCB面?為什麼斷裂的錫球直徑有些比較大?有些則比較小?

看左邊PCB端的圖,可以看到A1、B1錫球的直徑似乎與C1不一樣,C1感覺比較小,這是因為A1、B1錫球的斷裂面出現在PCB端,所以看到是PCB上焊墊/焊盤的直徑,而C1錫球的斷裂面則在零件端,所以其直徑比較小,一般來說同一顆BGA錫球,PCB上的焊墊會比零件上的焊墊來得大,其實如果仔細看PCB端C1的錫球,應該還是看得出來斷裂面下方還是有模糊的球體形狀,其大小應該等同於A1及B1,其此可以更加確定C1的斷裂面在零件端,因為錫球整個黏在PCB焊墊上。

再回來看一下文章最上面的圖片並對照這張加了說明的圖片。先看圖片左邊的圖,這是BGA紅墨水測試後PCB端的照片,紅色的框框表示A1、B1、C1三顆有錫球斷裂,因為圓形的錫球表面已經有紅墨水沾染的痕跡,而且是整顆錫球都沾了紅墨水,表示完全斷裂。

還是看左邊PCB端的圖,可以看到A1、B1錫球的直徑似乎與C1不一樣,C1感覺比較小,這是因為A1、B1錫球的斷裂面出現在PCB端,所以看到是PCB上焊墊/焊盤的直徑,而C1錫球的斷裂面則在零件端,所以其直徑比較小,一般來說同一顆BGA錫球,PCB上的焊墊會比零件上的焊墊來得大,其實如果仔細看PCB端C1的錫球,應該還是看得出來斷裂面下方還是有模糊的球體形狀,其大小應該等同於A1及B1,其此可以更加確定C1的斷裂面在零件端,因為錫球整個黏在PCB焊墊上。

其次,來看看A2這個錫球,左邊的PCB端圖顯示為白色圓形,這通常意味著PCB焊墊不見了,也就是BGA拔除的時候連著焊墊被被拉掉了,對照照片右邊圖,零件端可以看到銅色帶著尾巴的焊墊黏在零件的錫球上面。

下圖是紅墨水測試後將PCB板子拿回來側一個角度拍攝的照片,就可以很清楚的看到錫球黏在PCB端,或不在PCB端。
下圖是紅墨水測試後將PCB板子拿回來側一個角度拍攝的照片,就可以很清楚的看到錫球黏在PCB端,或不在PCB端。

工作熊會建議請實驗室做完紅墨水測試後,一定要將板子及零件送回來,然後自己在顯微鏡下再觀察一下,以確認實驗室的判斷是否正確,另外也可以做進一步觀察是否有其它沒有發現到的問題。

現在,你應該可以看得懂紅墨水測試的報告的深層在講些什麼了,以後應該可以自己判斷為什麼BGA會失效?工作熊真的不是萬能的,有多少證據說多少話,紅墨水測試報告說不出來的,你問我也不知道,要在做進一步的測試與分析,等到IMC測試也沒有問題,就不是焊錫的問題了,不要有事沒事就指著工廠說你焊錫沒焊好!

實驗室的紅墨水報告書:BGA錫球斷裂(crack)的紅墨水測試判斷與現象分析


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