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 510610 luodj@）

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)

Pad

Solder Paste Lead (Solder Ball)

Pad or UBM Laminate(BGA) Type Ⅰ(Pad/BGA) Type Ⅱ(Ball/Pad)

Type Ⅲ Ball Brittle

Type Ⅳ(Ball/Solder Paste) Type Ⅴ(Solder Paste/Pad) Type Ⅵ(Pad/Laminate)