染色与渗透试验方法研究

SMT焊点的染色与渗透试验方法研究罗道军朱明（中国赛宝实验室广州[e-mail]）摘要本文系统地分析和总结了染色与渗透试验方法在SMT焊点质量分析上的应用，以及其应用过程中可能产生的偏差，并给出了解决偏差的相应对策。关键词：SMT焊点染色与渗透前言随着SMT技术与元器件高密封装技术的迅速发展，其焊点的质量与可靠性的检测试验技术也必须适应这种发展的需求，使用各种先进的检测试验仪器设备的新技术也层出不穷，但是价高与维护困难也使工业界大多数企业承担不起。染色与渗透检测技术应用于焊点特别是SMT组装的BGA等阵列式焊点的质量检测中已经有多年的历史，并证明十分有效。其优点是操作简单易行、成本低劣，几乎每个厂家都可以完成，另外获得的质量信息也丰富准确，有时获得的信息甚至比另外一种破坏性的分析方法－金相切片所获得的信息更加准确。不过这种测试方法是破坏性的，一旦进行了该试验，样品便要报废。尽管如此，染色与渗透试验方法在焊点质量检测评价方面的广泛使用是必然的趋势。正是由于方法的简单，造成许多试验者没有仔细研究其细节，往往导致很多试验出现偏差，严重的可能得到错误的结果。本文将系统地研究分析染色与渗透试验的过程以及误差来源，并提出相应地改进建议。1染色与渗透试验的基本原理将焊点置于红色墨水或染料中，让红墨水或染料渗入焊点的裂纹之中，干燥后将焊点强行分离，焊点一般会从薄弱的环节（裂纹处）开裂，因此可以通过检查开裂处的界面的染色面积与界面来判断裂纹的大小与深浅、以及裂纹的界面，从而获得焊点质量信息。通过染色与渗透试验可以获得焊点分离界面的信息与失效焊点分布的信息，这对焊点的质量评估以及失效原因分析非常有价值。2染色与渗透试验方法描述2.1样品准备首先小心将需要试验的样品从电路板组件（PCBA）上截取下来。如果PCBA不大，也可以将含有需要测试器件的整个PCBA一起进行试验，但是这样做的化，需要有足够大的装有红墨水的容器，同时也可能浪费更多的红墨水，假若红墨水价格较贵的化，成本就会增加。不过直接截取样品也需要特别的小心，可使用专门的工具，千万不能造成被试验样品的焊点的破坏或损伤。1.2染色与渗透在样品准备好后，可以直接将样品置于装有红墨水的容器中，盖严后抽真空，一般可抽至100毫巴（mbar）的压强。这样可以使得残留在缝隙或裂纹中的气体排放出来，同时让红墨水渗入到它应该去的地方并将其染红。通常为了使红墨水有更好的渗透效果，往往在红墨水当中加入几滴表面活性剂以降低其表面张力。1.3烘烤染色后的样品在等多余的红墨水流干后，即放入温度为100℃左右的烘箱，烘烤直至样品干燥，时间依使用的红墨水的性质而定，一般需要一个小时，最快也要15分钟，最长时间甚至要四个小时以上才能烘干。烘干的样品通常需要放入干燥器皿中冷却至室温，以免吸湿。1.4器件分离可以通过各种工具将染色后的器件分离，以检查其焊点是否有被染红的界面。分离的方法一般是使用L型的钢钩先翘动器件的四个角，并弯折PCBA使器件的焊点部分断裂。再在器件的表面使用强力胶固定一大小适当的钢筒（见图1），将器件所在的PCBA固定后垂直向上引伸钢筒，即可分离器件。如果器件太大或过于牢固，可以使用如图2的占孔施力的方法。有人建议在分离难分离的器件时，使用升温至140℃或保温的方法，但实际操作非常麻烦或困难，业界都很少使用。图1分离器件的垂直引伸夹具图2占孔拉伸分离器件方法示意图1.5检查与记录使用足够放大倍率的立体或金相显微镜检查器件分离后的界面。注意应该对称的检查分离后的PCB与器件这两个表面，注意拍照记录染成红色的界面，一般都是对称的，即PCB面与器件引脚上的界面都会同时染红或不红。特别提醒的是需要仔细记录焊点染红的界面（失效或分离模式），及其面积，还有该焊点在整个器件所有焊点中的分布规律。3染色与渗透试验结果分析与应用通过染色试验我们可以得到焊点质量的信息，尤其是通过对分离界面及其分布的信息可以获得工艺改进的依据，甚至能够分清质量事故的责任。首先，我们可以通过染色找到焊点中裂纹存在的界面，以BGA器件来举例，其分离模式通常有BGA焊球/器件焊盘(TypeⅡ)、BGA球本身破裂(TypeⅢ)、BGA球/PCB焊盘、PCB焊盘/PCB基板(TypeⅥ)等，有些甚至能够分清焊锡膏回流后的焊料与焊球(TypeⅣ)或焊盘(TypeⅤ)的界面（见图3）。如果没有染成红色，则证明该焊点本身没有质量问题（注：但并不一定表明没有可靠性问题）。如果出现第一种或第二种开裂失效模式，则至少证明这是器件本身的质量问题，是器件在加工置球的时候没有控制好最佳条件，导致该处出现裂纹；如果是第三种失效模式情况则比较复杂：可能是SMT工艺没有控制好导致焊球中大量气孔或回流不足金属化不好，使得哪怕低应力存在即导致裂纹，这种情况需要金相切片来做进一步的判断；如果是第四种失效模式，则表明该BGA焊球表面可能受到严重污染或氧化，可以通过流程查找与批次统计分析来判断污染或氧化的来源；如果是第五种情况，则可能存在三种情况：一是PCB焊盘受到氧化或污染导致可焊性不良，二可能是焊锡膏的润湿性不良或漏印，三则可能是工艺参数设置不良，导致焊锡膏的润湿不佳，而第一种情况存在的可能性最大，这可以通过其它手段如可焊性测试与SEM等进一步分析来判断。而第六种失效模式则确定是PCB本身质量问题，一般是焊盘附着力太差。此外，我们还可以使用失效分布地图（Mapping）方式来清晰地表征的失效焊点的分布（见图4），图中每个焊点用一个空格来表示，空格的颜色代表焊点裂纹的面积占整个焊点的面积比例大小。通过这样一个Mapping图，我们可以获得更多的非常有用的信息，如焊点开裂集中在某个区域，我们在选择切片分析时将有意识地选择这个位置分析，否则对焊点数目较大时切片位置不对会影响效率。另外，焊点裂纹集中的地方可能是受到应力最大的地方，如四周的焊点，这样就可以通过PCB的设计与工艺优化来消除。总之，Mapping图会给出焊点整体质量的直观信息，如果裂纹（红、黄与绿）太多且杂乱无章，则显示许多工作需要改进。这种通过染色面积来检测焊点的裂纹大小或深度的方法与难度更大的金相切片检测方法相比有时往往跟准确。如图5，如果按A线切片得到结果将是焊点贯穿性开裂；而如果按B线切片，则结果是未见开裂。这时染色与渗透试验的结果则更能全面反映焊点质量的实际情况。图3焊点失效模式示意图Laminate(PCB)PadSolderPasteLead(SolderBall)PadorUBMLaminate(BGA)TypeⅠ(Pad/BGA)TypeⅡ(Ball/Pad)TypeⅢBallBrittleTypeⅣ(Ball/SolderPaste)TypeⅤ(SolderPaste/Pad)TypeⅥ(Pad/Laminate)ABCDEFGHJKLMNPQRT1234567891011121314151617红色表示渗透面积100％黄色表示渗透面积大于50％(小于100％)绿色表示渗透面积小于50％白色表示无渗透蓝色表示该处无焊点图4器件焊点染色试验失效模式分布图图5切片分析与染色分析结果的差异（染色部分显示焊点开裂）4试验过程的质量控制从以上试验过程的描述可见，其实非常简单，只要有一个显微镜以及简单的工具就可以完成。但是，经过我们仔细的研究分析，许多地方如果不够注意的话则非常容易出现偏差，甚至得到错误的结论。因此，需要在以下几个方面提醒注意：一、取样过程。取样过程必须小心谨慎，避免受试样品受到外来的机械应力的损伤，如要轻拿轻放，不能使用剪刀等工具，一般要使用专用的切割取样机，并且切割的位置要保持与器件适当的距离。如果可以则尽量使用大的染色池，以免去切割取样的麻烦。二、清洗。样品在染色前，一般需要选用专用的溶剂对样品进行认真的清洗。因为经过回流工艺后，焊锡膏中助焊剂会残留在焊点地周围，有些还特别地严重，这些残留物中含有较多的松香或树脂类物质，他们会焊点的裂纹或缝隙，阻止接下来的红墨水的渗透。清洗AB剂可以选用卤代烃类溶剂如三氯乙烯或醚类溶剂如乙二醇单丁醚来清洗，往往可以获得很好的效果。三、染色液的选择。染色液的选择非常重要，应该选择那些憎水性的染色稳定的渗透性强的红墨水，而一般不能使用对那些含有易吸湿物质的普通红墨水。因为器件分离后如果来不及马上检查，吸湿性强的红墨水将很快吸湿空气中的水份，并且迅速扩散，导致原本未存在裂纹的界面都染上红色或部分染色的区域面积扩大，这样会导致结果出现极大偏差（见图6）。控制这种偏差只有在器件分离后立刻检查完所有焊点，而要在几分钟的时间内完成所有焊点的检查显然不可能。扩散严重的甚至本来没有裂纹的焊点却出现了100％开裂的焊点的错误判定。相比之下，使用良好性能的染色液所得到的结果则完全不同（见图7）。A：器件分离后3分钟B:器件分离后5分钟C:器件分离后8分钟D:器件分离后20分钟图6染色面积因染色液的选择不当导致的扩展变化四、器件分离。该操作过程需要注意的是，必须确保器件的干燥与多余物的必要清理为前提，以免本来没有染色的界面得到染色的结果。同时注意不要平推器件，尽量垂直分离器件，因为裂纹的界面可能由于分离不当导致界面擦伤而不清晰，不易评定失效模式与计算开裂面积，影响结果的准确性。五、烘烤条件。由于有些器件焊点间距太细，且器件本身很大，导致表面干燥而内部的裂纹中的染色液不易干燥，如果不够时间，常常出现分离器件后染色面积扩大的情况。最好在试验前摸清该染色液的最长的干燥时间。而温度一般控制在100℃左右，最高不超过120℃，以免超过PCB的Tg温度导致新的失效模式产生，甚至焊点金属化结构的变化。BGAsidePCBside器件分离后5分钟BGAsidePCBside器件分离后120分钟图7新型染色液的染色效果不随时间变化结论染色与渗透试验是一项操作简单而非常有效的焊点质量分析技术，它的使用可以获得焊点质量的全面信息。但是，也需要关注测试过程中的每一个细节，特别是关键的取样过程与染色液的选取，这些关键环节如果处理不当，将会得到完全相反的结果。同时需要提醒的是，该试验方法是一种破坏性的手段，如果样品的数量不够则不宜盲目采用。参考文献1S.C.Bolton,A.J.Mawer,andE.Mammo,InfluenceofPlasticBallGridArrayDesign/MaterialsUponSolderJointReliability,TheInternationalJournalofMicrocircuitsandElectronicPackaging,Vol.18,No.2,1995,pp.109-120.2中国赛宝实验室可靠性分析中心，染色与渗透试验作业指导书2006年第一版。