【技术服务】连接器引脚上锡不良失效分析

发布时间： 2020-05-19

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　分类：协会动态

1. 案例背景

送检样品为某款PCBA板，该PCBA板上一连接器在经过SMT后发现个别引脚上锡不良，失效不稳定；该连接器引脚每侧共50个引脚，材质为铜表面镀镍镀锡，PCB焊盘表面为OSP工艺，锡膏成分为Sn-Ag-Cu（95%-3%-0.5%）。

2. 分析方法简述

2.1 样品外观观察

通过将失效样品和正常样品分别放在体式显微镜下观察，发现失效样品的某些引脚确实存在引脚上锡不良现象，失效引脚位置在连接器上分布不规律，但失效样品主要集中在连接器中间区域，且两端引脚上锡相对较好，典型照片见图1。正常样品表现为两端上锡饱满，中间区域引脚上锡不饱满，典型照片见图2，该现象说明失效可能与位置相关。

图1 失效样品典型放大图片

图2 正常样品典型放大图片

2.2 表面分析

如图3~4所示，分别对NG焊点表面和未使用引脚表面进行表面SEM观察和EDS成分分析，成分测试结果见表1~2，均未发现明显污染元素，说明造成该引脚上锡不良与污染相关性不大。

图3 NG焊点表面SEM图片和EDS能谱图

表1 NG焊点表面EDS测试结果(Wt%)

Spectrum	C	O	Ni	Cu	Sn	Total
位置1	3.34	4.83	/	1.15	90.68	100.00
位置2	2.83	4.58	/	/	92.59	100.00
位置3	2.99	5.51	0.82	/	Sn	100.00

图4 未使用引脚表面SEM图片和EDS能谱图

表2 未使用连接器引脚表面EDS测试结果(Wt%)

Spectrum	C	O	Sn	Total
位置1	2.75	5.27	91.98	100.00
位置2	2.74	5.43	91.82	100.00

2.3剖面分析

将NG焊点分别按照横向和纵向制作切片，观察焊点内部连接情况：

如图5和表3所示，通过纵向切片可知，焊锡与焊盘间形成良好IMC层，而引脚与焊锡之间出现分离，分层中间存在异物，通过对异物进行成分分析，主要元素为C、O、Sn、Br，怀疑其可能为助焊剂；

如图6和表4所示，通过横向切片可知，NG焊点引脚与焊盘存在偏位现象，表现为两侧不上锡，焊锡与焊盘形成均匀连续的IMC层，引脚底部与焊锡之间亦存在分层，中间也存在异物。通过对分层处进行放大观察，发现引脚底部存在一层锡层，锡层成分为纯锡（如图6中位置1和2所示）；而焊点焊锡成分中含少量Ag（位置4和5），与锡膏（Sn-Ag-Cu：95%-3%-0.5%）中成分相对应。由此可推出，NG焊点引脚底部锡层为引脚表面镀锡层，因此可侧面说明NG焊点在SMT过炉过程中，引脚底部与焊锡没有良好接触。

图5 NG焊点纵向切片SEM图片及EDS能谱图

表3 NG焊点引脚底部与焊锡之间异物EDS测试结果(Wt%)

Spectrum	C	O	Br	Sn	Total
位置2	31.35	8.10	23.08	37.48	100.00
位置3	26.99	5.78	25.18	42.05	100.00
位置4	28.60	4.33	18.51	48.55	100.00

图6 NG焊点横向切片SEM图片及EDS能谱图

表4 NG-3#焊点引脚底部与焊锡之间EDS测试结果(Wt%)

Spectrum	C	O	Cu	Ag	Sn	Total
位置1	1.06	0.78	0.70	/	97.46	100.00
位置2	1.07	0.77	0.57	/	97.59	100.00
位置3	13.51	16.40	1.75	/	68.35	100.00
位置4	1.19	0.89	1.15	3.52	93.26	100.00
位置5	1.23	0.92	0.93	2.30	94.63	100.00

2.4 引脚剥离成分分析

用机械方式将NG焊点剥离，发现引脚剥离力较小，说明连接器引脚与焊盘为假焊。分离后，发现焊锡表面及引脚底部存在较多异物，通过对异物进行FTIR成分分析，主要检测到羧酸结构类物质，说明该异物确实为助焊剂，见图7~9。助焊剂大量残留说明可能存在炉温问题，例如预热时间过短、峰值温度偏低等情况。对剥离后PCB端焊点和引脚进行表面观察，注意到NG焊点引脚剥离后焊锡在焊盘上润湿良好，表面光亮圆滑，进一步说明在过炉过程中，引脚与焊锡未接触。

2.5 可焊性分析

为了验证引脚不上锡与其自身可焊性的相关性，参考标准IPC-J-STD-002C-2008 元器件引线、端子、焊片、接线柱和导线的可焊性测试，通过可焊性模拟试验，来确认未使用连接器引脚的可焊性。

随机取3pcs未使用连接器，用助焊剂均匀涂覆引脚，后浸入255℃无铅钛锡炉中进行测试，保持时间5s后，拿出样品，放在体式显微镜下观察拍照，通过观察发现，未使用连接器引脚的表面整体呈现连续的焊料涂层，符合IPC-J-STD-002C中的标准要求，详情见图10。结果表明，该批次连接器引脚的可焊性良好，排除引脚可焊性差，造成引脚不上锡的可能。

图10 未使用连接器引脚可焊性图片

2.6 过炉时引脚平面度分析

为确定器件在过炉过程中的变形情况，采用SMT时炉温曲线，实时监测引脚的变形程度，引脚编号见图11，结果见附件，平面度曲线图见图12。由测试结果可知，在焊接前，连接器引脚的平面度良好，在过炉过程中（220℃及峰值温度），个别连接器中间部位引脚变形量偏大（见1#连接器），说明在过炉过程中个别连接器的个别引脚会发生较大变形，对上锡产生不良影响。

图11 引脚编号示意图

图12 连接器引脚在各温度时平面度的曲线图

2.7 炉温验证分析

由于NG焊点焊锡表面存在较多助焊剂残留，为了确认炉温曲线对焊接质量的影响，对连接器上引脚焊点温度进行实时监控：采用客户提供的炉温曲线和链速（950mm/min），对连接器上焊点及其他元器件上焊点进行温度实测，测试位置见图13所示，测试结果见图14，连接器焊点（位置2）在过炉过程中，峰值温度为234℃，元器件焊点（位置1）在过炉过程中，峰值温度为242℃。由此可知，连接器引脚在过炉过程中，吸热量较大，峰值温度偏低，较低的峰值温度会对润湿能力产生不良影响。

图13 炉温测试位置示意图

图14 炉温测试曲线

3. 分析与讨论

由以上分析结果可以导致连接器引脚不上锡的原因总结如下：

通过上述测试分析可知，由成分分析可排除上锡不良与外来污染的相关性；通过剖面分析和引脚剥离后分析可知，NG焊点为假焊，内部表现为引脚与焊锡之间出现分层，分层中存在大量助焊剂残留，且焊锡在焊盘上呈圆滑状分布，说明在过炉过程中，引脚与焊锡未接触，而通常导致焊点分层的主要原因有三点：①连接器引脚可焊性较差；②连接器引脚共面性存在问题；③炉温设置不当。

通过可焊性验证分析，可排除连接器引脚本身可焊性差问题；根据对引脚在过炉过程中的变形量测试结果可知，该连接器在室温状态下均满足共面性小于0.1mm的规范要求，但个别连接器中间位置引脚在220℃或峰值温度时，会发生较大热变形，超过0.12mm的锡膏印刷厚度，导致在过炉过程中引脚与焊锡间未接触，造成引脚上锡不良；通过炉温验证可知，连接器上引脚的实测温度相比于其他元器件引脚的峰值温度偏低，相差8℃，较低的峰值温度会对润湿能力产生不良影响，影响引脚的上锡性。

4. 结论

连接器上锡不良的主要表现为引脚下表面与焊点不相接，导致此失效的原因有两方面：①过炉过程中存在热变形；②过炉过程中连接器引脚温度偏低，影响润湿性能。

5. 建议

1、适当增加连接器中间区域的锡膏印刷厚度；

2、优化焊接炉温曲线和链速（优先方向）。

6. 参考标准

1、GJB 548B-2005 微电子器件试验方法和程序方法5003 微电路的失效分析程序

2、IPC-J-STD-002C-2008 元器件引线、端子、焊片、接线柱和导线的可焊性测试

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