PCBA大讲堂：如何从红墨水测试中判断BGA开裂的不良原因

当发生BGA失效使用「红墨水（Red Dye）」测试来分析问题并发现有锡球开裂的情形时，你知道要如何判断其真因吗？还是红墨水就只能告诉我们有无锡球开裂而已，其他的就只能自求多福？

一般BGA锡球开裂大致可以归纳为HIP(Head-In-Pillow)或HoP(Head-On-Pillow)与NOW(Non-Wet-Open)以及焊锡后应力造成，但每种现象都可能有复合原因，其实如果想知道BGA锡球开裂是何种不良现象的最好的方法是做切片并打元素分析，这样才比较有客观的证据证明真因。不过切片前必须先透过店性测试的方法先确认是哪几个锡球有问题，这样才能针对锡球来做切片。

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简介用红墨水试验 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊锡有否破裂

说真的，深圳宏力捷个人并不是很喜欢用「红墨水」来分析BGA锡球开裂的问题，因为红墨水测试很容易出差错，因为操作上一不小心就可能破坏掉原始的证据与现象，而且不易判断真因。但红墨水确实是目前最便宜的检测方法，而且只要有烤箱，买了红墨水来也可以自己做，只是红墨水是一种破坏性测试，如果你的样品只有一个，建议你还是先透过X-Ray检查是否有空焊以及使用「光纤摄影机」来检查BGA边缘的锡球有无发生HIP或NWO的现象。

如果你的不良样品够多，不只一个，深圳宏力捷才会建议在切片前先使用红墨水来做初步的验证，因为一般使用红墨水测试大概只能看出锡球有无开裂，以及锡球开裂的分布。

严格来说，在红墨水测试后应该将之置放于高倍显微镜下观察其开裂的断面现象，要了解其断面为光滑圆弧断面或是粗糙断面以判断是HIP/HoP或NWO的SMT制程 或是之后因为PCBA组装或成品使用时跌落地面所造成的外力冲击损伤。

所以红墨水测试时应该记录下列的现象：

　记录每个锡球被红墨水染红的面积。

　观察并记录锡球断裂在锡球与BGA载板之间（继续检查BGA载板的焊盘有无剥离现象，红墨水是否进入到焊垫剥离处）、锡球与PCB之间（继续检查PCB的焊盘有无剥离现象，红墨水是否进入到焊垫剥离处）、断裂于锡球的中间（检查断面形状）。

　记录所有断裂面的外观形状、光滑或粗糙。

红墨水测试的结果判断（可能会有其他符合原因）：

　如果断裂发生在锡球与BGA载板之间，就继续检查BGA载板的焊盘有无剥离现象，红墨水是否进入到焊垫剥离处，如果有，这可能关系到问题可能来自BGA载板的品质问题或BGA载板的焊盘强度不足以负荷外部应力所造成问题的责任归属。

　如果断裂发生在锡球与PCB之间，就继续检查PCB焊盘有无剥离现象，红墨水是否进入到焊垫剥离处，如果没有，则可能是NWO问题，但是要继续观察断面的形状及粗糙度，如果焊垫剥离且红墨水进入剥离处，则问题可能来自PCB板厂的品质或是PCB本身的焊盘强度就不足以负荷外部应力所造成的开裂。

　如果断裂发生在BGA锡球的中间，就要继续观察其断面为圆弧面、光滑面、粗糙面、平面，如果是光滑的圆弧面，就有可能是HIP，相反的就比较偏向外部应力引起的开裂。

如果是NWO及HIP则偏向制程问题，这类问题通常是因为PCB板材或是BGA载板过reflow高温时变形所引起，但变形量也关系到产品的设计，PCB上的铜箔布线不均匀或太薄时会比较容易造成变形。其次是焊锡镀层氧化。

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BGA锡球因外部应力造成的开裂一般有下列几种可能：

　板阶测试造成。 

一般的板阶测试会使用针床之类的测试治具，如果针床治具上的应力分布不均就可能产生BGA锡球破裂的可能。可以使用应力-应变分析仪检查。

　PCBA成品组装造成。 

有些设计不良的成品PCBA组装作业，可能会弯折到电路板，这有可能是锁螺丝、使用卡勾定位、成品机壳支撑电路板的机构未设计在同一水平面上…等原因所造成，也是可以使用应力-应变分析仪来检查。

　成品于客户端因使用不小心而掉落地面的冲击所造成板弯应力。 

这个也可以使用应力-应变分析仪来模拟落下时的变形量算出来。

　因为环境温度变化所造成的热胀冷缩变形。 

这个原因比较少，因为在研发阶段应该就可以抓出来，除非没有彻底执行环境测试。

请记得如果是应力造成的锡球破裂当然会先从其最脆弱的地方开始破裂萝，如果是SMT的reflow焊接没有焊好，就应该会断裂在BGA的锡球(ball)与电路板的焊垫之间，暂且不计材料氧化问题。如果是焊垫的设计太小导致无法承受太大的落下冲击力时，就会造成电路板上的焊垫被拉扯下来的现象，其实这种现象也有可能是PCB厂商压合不好造成。

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