染色與滲透試驗在BGA焊點質量分析中的應用

高 蕊 劉立國 董麗玲 張永華

（無錫江南計算技術研究所，江蘇 無錫 214083）

0 引言

當前，電子產品正朝著體積小、重量輕和智能化的方向快速發展。在推動半導體封裝技術飛速進步的同時，高密度電子組裝也成為一種主流。高密度組裝件焊接密度大、焊點尺寸小，受焊點材料的力學性能、焊料與基材之間熱膨脹系數（coefficient of thermal expansion，CTE）匹配關系等因素的影響明顯，更易出現焊點失效的問題。由于幾何形態的限制，方形扁平無引腳封裝（quad flat no-lead package，QFN）焊點高度較低，球柵陣列封裝（ball grid array，BGA）和芯片尺寸封裝（chip scale package，CSP）的焊點全部隱藏于封裝體底部，焊點的質量檢測及失效分析都相對困難，這使得焊點的質量評價成為難題。

為保證高密度組裝的質量，各類檢測與分析技術得到了不同程度的重視和關注。焊點質量檢測和失效分析技術包括X 射線透視檢查、金相切片分析、掃描電鏡（scanning electron microscope，SEM）分析、染色與滲透、熱分析等。但鑒于成本及設備維護的考慮，染色與滲透試驗是其中最為簡捷和有效的方法之一。

1 染色與滲透試驗的基本原理和操作方法

1.1 染色與滲透試驗的原理與方法

染色與滲透試驗是應用于表面電子組裝（surface mount technology，SMT）焊點質量及完整性檢測的一種破壞性測試方法，最初由摩托羅拉地面移動產品部門的先進制造技術組開發，并在此之后獲得了廣泛的推廣，國際電子工業聯接協會于2017 年頒布實施了標準方法IPC TM-650 2.4.53 染色與滲透測試方法。另一種常用的破壞性測試方法是金相切片分析，是對焊點單一垂直截面進行觀測，取樣磨拋時選擇不同的切面可能會產生不同的結果，且若想獲得BGA 焊點失效的完整分布情況，需要對每個焊點進行磨拋觀測，成本高昂且異常費時。染色與滲透試驗的操作則相對簡單，花費較低的成本便能準確獲得所有焊點分離界面的完整信息，因此在QFN、BGA 等表面組裝焊點質量分析中得到了廣泛應用。

染色與滲透試驗是通過將試樣浸于染色劑中，讓染色劑滲透至焊點裂紋處，待染色劑干燥后再用機械或物理的方法分離器件與印制板（焊點通常會從有裂紋或空洞的位置分離），最終通過分析分離界面的位置，以及染色的面積來判斷焊點的失效模式和失效焊點分布的狀況。一般染色與滲透試驗的操作方法及注意事項如圖1所示。

圖1 染色與滲透試驗操作方法流程及注意事項

1.2 染色與滲透試驗的結果分析

染色與滲透試驗后，一般通過立體顯微鏡檢查分離后的器件和印制電路板（printed circuit board，PCB）兩側焊點界面，通過確認失效模式、單個焊點染色面積、染色焊點分布等信息分析焊接質量。一般染色與滲透試驗的結果分析主要內容有：①觀測記錄每個焊點的失效模式；② 統計染色焊點的染色面積及焊點位置信息；③繪制焊點失效分布矩陣圖；④ 分析焊點失效機理，改進工藝設計，提升焊接質量。

在開展染色與滲透試驗結果分析時，應注意將焊點PCB 分離界面與器件分離界面對比觀測，對稱的2 個界面應同時染紅或未染紅，避免發生誤判，通常還需要結合金相切片分析、SEM 微觀形貌分析、X 射線能譜分析儀（energy dispersion spectroscopy，EDS）、應力應變分析等技術進行焊點失效機理分析。

以BGA 器件焊點為例，染色與滲透試驗后焊點的失效模式通常分為BGA 器件面基材與焊盤分離、BGA 器件焊盤與BGA 焊球分離、BGA 焊球內部斷裂、BGA 焊球與PCB 焊盤分離和PCB 焊盤與PCB基板分離，如圖2所示。

圖2 BGA焊點失效模式示意圖

染色與滲透試驗后焊點失效分布矩陣圖如圖3所示。矩陣圖中記錄染色焊點位置及染色面積占整個焊點面積百分比等全部焊點的染色分布情況，圖中每個方格表示一個焊點，方格的顏色代表染色面積占整個焊點面積的比例情況。行業內一般規定焊點染色面積應不超過焊接面積的25%，如超過25%則判定為不可接收。

圖3 焊點失效分布矩陣

2 失效模式典型案例

由于被染色的焊點界面為試驗前即存在的缺陷，通過觀測開裂分離的界面，可以判斷是工藝問題、PCB 質量問題還是元器件問題［1］，不僅能夠對質量問題進行定責，還可以為工藝改進提供幫助。下面選擇幾種失效模式的典型案例進行介紹，重點介紹染色與滲透試驗后BGA 焊點常見質量缺陷的表現形式及其產生的原因。

2.1 BGA器件面基材與焊盤分離

典型BGA 器件面基材與焊盤分離失效模式的染色與滲透試驗測試圖如圖4 所示。PCB 面焊點分離界面測試圖如圖4（a）所示，圖中顯示焊點附著有完整的BGA 焊球和BGA 焊盤，且分離界面BGA 焊盤處存在明顯染色現象，說明焊點失效模式為BGA 器件面基材與焊盤分離，且樣品在試驗前BGA 器件面基材與焊盤之間就存在裂紋，相同失效模式的金相切片如圖4（b）所示。BGA 器件面基材與焊盤分離的失效模式通常不易發生，如果失效模式是BGA 器件面基材與焊盤分離，則表明器件本身有質量問題，可能是BGA 基板的品質問題或BGA 基板的焊盤黏合強度不足以負荷外部應力所造成的。

圖4 BGA器件面基材與焊盤分離失效模式測試

2.2 PCB焊盤與PCB基板分離

PCB焊盤與PCB基板之間的裂縫又稱為坑裂。當元器件及焊點在Z軸方向上的CTE與PCB板材之間存在較大差異時將會產生過大的應力，焊接高溫中已呈橡膠態軟化的基材樹脂有可能受應力作用在焊盤承墊底部基材位置開裂，焊盤底部形成彈坑狀開裂形貌，稱為焊盤坑裂［1］。近年來，焊盤坑裂現象已經成為電裝故障中主要的失效模式之一。

典型PCB 焊盤與PCB 基板分離失效模式的染色與滲透試驗后PCB 面焊點界面如圖5 所示。由圖5可見，PCB焊盤已經脫落，但是圖5（a）焊盤承墊底部基材上有染色現象，圖5（b）焊盤承墊底部基材上無染色現象，說明圖5（a）的樣品在試驗前就有坑裂現象。典型坑裂焊點的金相切片圖如圖6所示。焊盤坑裂有時未導致焊盤脫落或焊盤與相連的導線斷裂，因而往往被忽略，但一旦完全斷裂，會造成開路失效且無法返修。造成焊盤坑裂的原因有很多，常見的原因如圖7所示。

圖5 PCB焊盤與PCB基板分離模式染色圖（PCB面）

圖6 PCB焊盤與PCB基板分離金相及SEM

圖7 焊盤坑裂原因魚骨圖

2.3 BGA器件焊盤與BGA焊球分離

BGA 器件焊盤與BGA 焊球分離主要發生在BGA 側金屬間化合物（intermetallic compound，IMC）處，其中較為典型的失效模式之一是由于富磷層（P-rich）的存在造成BGA器件焊盤與IMC界面處斷裂分離。由于化學鎳金（ENIG）工藝鍍鎳層中會含有一定量的磷，而磷不參與金屬化反應，如果焊接時間過長，多余的磷會在合金層邊緣富集，形成富磷層，導致焊點強度明顯減弱。典型的染色試驗圖如圖8所示。由圖中可見，BGA整個焊球附著在PCB 面，兩側界面均有染色現象，且染色面積基本達到100%，結合如圖9 所示同一樣品焊點的金相切片圖、SEM 和EDS 分析結果，確認焊點是BGA 器件焊盤與IMC 界面分離，且是由于富磷層導致的BGA器件焊盤與IMC界面開裂。

圖8 BGA器件焊盤與焊球分離失效模式的染色

圖9 同一樣品焊點的SEM

BGA器件焊盤與BGA焊球分離其他可能失效原因：①縮錫引起的IMC 層與焊球之間的分離，常見于混裝焊接中（如無鉛器件有鉛焊）；②PCB B 面需經歷2 次回流焊接的BGA 器件，會由于PCB 彎曲變形造成二次焊點開裂，開裂處BGA焊球呈圓形形貌，表現為明顯的不潤濕特征。

2.4 BGA焊球與PCB焊盤分離

BGA 焊球與PCB 焊盤分離最常見的斷裂失效位置在PCB 側IMC 附近，典型的錫銅合金層斷裂后染色與滲透試驗圖如圖10所示。

圖10 BGA焊球與PCB焊盤分離染色

圖10 中，BGA 整個焊球附著在BGA 器件面，且多個焊球全部染色，染色界面較為平整。結合如圖11 所示的金相切片圖，斷裂位置為合金層處開裂。斷裂焊點一般分布在器件角落或四周應力較大的位置。

圖11 BGA焊球與PCB焊盤分離裂紋SEM

引起BGA 焊球與PCB 焊盤分離失效的原因主要包括：①焊接工藝參數設置不當，焊接溫度過高或時間過長，焊料與PCB 焊盤合金層較厚，焊點強度減弱；② PCB 質量問題，焊盤表面有污染未形成均勻連續的合金層，焊點與焊盤的結合力較差；③設計因素，如PCB 阻焊限制焊盤設計，導致焊點應力集中；④ 機械應力斷裂，如跌落、振動等機械應力過大等。

2.5 BGA焊球內部斷裂

BGA 焊球內部斷裂最常見的原因是由熱循環疲勞引起的，其裂紋發生在焊點最薄弱的地方，裂紋總是從焊點的表面開始逐步向內擴展直至完全斷裂，且裂紋處晶格粗化，如圖12 所示。引起BGA 焊球內部斷裂另一較為常見的原因是焊點內部空洞，內部空洞較多導致焊點強度降低，但該情況下染色與滲透試驗后一般不會有染色現象，如果空洞位于焊盤界面邊緣處，往往會導致焊點開裂，典型的染色與滲透試驗圖片如圖13所示。

圖12 熱循環疲勞斷裂

BGA 焊球內部斷裂典型且獨有的一種缺陷為枕頭效應（head in pillow，HIP）。枕頭效應是虛焊的一種，表現為在焊接過程中BGA 焊球與焊膏沒有形成良好焊點，經染色與滲透試驗測試，存在染色現象，典型圖如圖14所示。圖14中，BGA器件側分離界面為焊球底部，PCB 側分離界面為焊料熔化面，兩側界面均有染色現象，BGA 焊球與焊膏沒有完全熔合，分離界面較為光滑，為典型的枕頭效應。一般造成枕頭效應的原因可能有：①錫膏與焊接工藝不匹配、焊接工藝參數設置不當；② BGA 器件本身的質量問題，如焊球污染嚴重、回流期間受熱變形過大；③設計因素，如BGA 器件和PCB 焊盤設計不匹配、誤差過大；④ 物料原因，如錫膏氧化、錫膏活性不夠等；⑤ 錫膏印刷質量缺損、貼片錯位較大，無法保證BGA焊球與錫膏良好接觸等。

圖14 枕頭效應染色與金相切片

3 結語

染色與滲透試驗是應用于BGA 焊點質量測試的一種常用破壞性方法，由于其具有操作簡單、成本低、測試結果直觀、方便統計等優點而被廣泛應用，但是一般不獨立使用，通常需要與X 射線透視檢查、金相切片、SEM、EDS 等測試手段結合應用，綜合分析焊點的失效機理，進而改進設計或工藝，提高焊點質量。本文主要介紹了染色與滲透試驗的基本原理、方法和典型失效模式的案例，希望能夠為相關測試方法應用者提供一定幫助。