連接器引腳上錫不良失效分析

五十路

送檢樣品為某款PCBA板，該PCBA板上壹連接器在經過SMT後發現個別引腳上錫不良，失效不穩定；該連接器引腳每側共50個引腳，材質為銅表面鍍鎳鍍錫，PCB焊盤表面為OSP工藝，錫膏成分為Sn-Ag-Cu（95%-3%-0.5%）。

2. 分析方法簡述

2.1 樣品外觀觀察

通過將失效樣品和正常樣品分別放在體式顯微鏡下觀察，發現失效樣品的某些引腳確實存在引腳上錫不良現象，失效引腳位置在連接器上分布不規律，但失效樣品主要集中在連接器中間區域，且兩端引腳上錫相對較好，典型照片見圖1。正常樣品表現為兩端上錫飽滿，中間區域引腳上錫不飽滿，典型照片見圖2，該現象說明失效可能與位置相關。

圖1 失效樣品典型放大圖片

圖2 正常樣品典型放大圖片

2.2 表面分析

如圖3~4所示，分別對NG焊點表面和未使用引腳表面進行表面SEM觀察和EDS成分分析，成分測試結果見表1~2，均未發現明顯汙染元素，說明造成該引腳上錫不良與汙染相關性不大。

圖3 NG焊點表面SEM圖片和EDS能譜圖

表1 NG焊點表面EDS測試結果(Wt%)

圖4 未使用引腳表面SEM圖片和EDS能譜圖

表2 未使用連接器引腳表面EDS測試結果(Wt%)

2.3剖面分析

將NG焊點分別按照橫向和縱向制作切片，觀察焊點內部連接情況：

如圖5和表3所示，通過縱向切片可知，焊錫與焊盤間形成良好IMC層，而引腳與焊錫之間出現分離，分層中間存在異物，通過對異物進行成分分析，主要元素為C、O、Sn、Br，懷疑其可能為助焊劑；

如圖6和表4所示，通過橫向切片可知，NG焊點引腳與焊盤存在偏位現象，表現為兩側不上錫，焊錫與焊盤形成均勻連續的IMC層，引腳底部與焊錫之間亦存在分層，中間也存在異物。通過對分層處進行放大觀察，發現引腳底部存在壹層錫層，錫層成分為純錫（如圖6中位置1和2所示）；而焊點焊錫成分中含少量Ag（位置4和5），與錫膏（Sn-Ag-Cu：95%-3%-0.5%）中成分相對應。由此可推出，NG焊點引腳底部錫層為引腳表面鍍錫層，因此可側面說明NG焊點在SMT過爐過程中，引腳底部與焊錫沒有良好接觸。

圖5 NG焊點縱向切片SEM圖片及EDS能譜圖

表3 NG焊點引腳底部與焊錫之間異物EDS測試結果(Wt%)

圖6 NG焊點橫向切片SEM圖片及EDS能譜圖

表4 NG-3#焊點引腳底部與焊錫之間EDS測試結果(Wt%)

2.4 引腳剝離成分分析

用機械方式將NG焊點剝離，發現引腳剝離力較小，說明連接器引腳與焊盤為假焊。分離後，發現焊錫表面及引腳底部存在較多異物，通過對異物進行FTIR成分分析，主要檢測到羧酸結構類物質，說明該異物確實為助焊劑，見圖7~9。助焊劑大量殘留說明可能存在爐溫問題，例如預熱時間過短、峰值溫度偏低等情況。對剝離後PCB端焊點和引腳進行表面觀察，註意到NG焊點引腳剝離後焊錫在焊盤上潤濕良好，表面光亮圓滑，進壹步說明在過爐過程中，引腳與焊錫未接觸。

圖7 剝離後焊錫圖片	圖8 剝離後引腳圖片
圖9 NG焊點焊錫表面異物FTIR圖譜

2.5 可焊性分析

為了驗證引腳不上錫與其自身可焊性的相關性，參考標準IPC-J-STD-002C-2008 元器件引線、端子、焊片、接線柱和導線的可焊性測試，通過可焊性模擬試驗，來確認未使用連接器引腳的可焊性。

隨機取3pcs未使用連接器，用助焊劑均勻塗覆引腳，後浸入255℃無鉛鈦錫爐中進行測試，保持時間5s後，拿出樣品，放在體式顯微鏡下觀察拍照，通過觀察發現，未使用連接器引腳的表面整體呈現連續的焊料塗層，符合IPC-J-STD-002C中的標準要求，詳情見圖10。結果表明，該批次連接器引腳的可焊性良好，排除引腳可焊性差，造成引腳不上錫的可能。

圖10 未使用連接器引腳可焊性圖片

2.6 過爐時引腳平面度分析

為確定器件在過爐過程中的變形情況，采用SMT時爐溫曲線，實時監測引腳的變形程度，引腳編號見圖11，結果見附件，平面度曲線圖見圖12。由測試結果可知，在焊接前，連接器引腳的平面度良好，在過爐過程中（220℃及峰值溫度），個別連接器中間部位引腳變形量偏大（見1#連接器），說明在過爐過程中個別連接器的個別引腳會發生較大變形，對上錫產生不良影響。

圖11 引腳編號示意圖

圖12 連接器引腳在各溫度時平面度的曲線圖

2.7 爐溫驗證分析

由於NG焊點焊錫表面存在較多助焊劑殘留，為了確認爐溫曲線對焊接質量的影響，對連接器上引腳焊點溫度進行實時監控：

采用客戶提供的爐溫曲線和鏈速（950mm/min），對連接器上焊點及其他元器件上焊點進行溫度實測，測試位置見圖13所示，測試結果見圖14，連接器焊點（位置2）在過爐過程中，峰值溫度為234℃，元器件焊點（位置1）在過爐過程中，峰值溫度為242℃。由此可知，連接器引腳在過爐過程中，吸熱量較大，峰值溫度偏低，較低的峰值溫度會對潤濕能力產生不良影響。 

圖13 爐溫測試位置示意圖

圖14 爐溫測試曲線

3. 分析與討論

由以上分析結果可以導致連接器引腳不上錫的原因總結如下：

通過上述測試分析可知，由成分分析可排除上錫不良與外來汙染的相關性；通過剖面分析和引腳剝離後分析可知，NG焊點為假焊，內部表現為引腳與焊錫之間出現分層，分層中存在大量助焊劑殘留，且焊錫在焊盤上呈圓滑狀分布，說明在過爐過程中，引腳與焊錫未接觸，而通常導致焊點分層的主要原因有三點：①連接器引腳可焊性較差；②連接器引腳共面性存在問題；③爐溫設置不當。

通過可焊性驗證分析，可排除連接器引腳本身可焊性差問題；根據對引腳在過爐過程中的變形量測試結果可知，該連接器在室溫狀態下均滿足共面性小於0.1mm的規範要求，但個別連接器中間位置引腳在220℃或峰值溫度時，會發生較大熱變形，超過0.12mm的錫膏印刷厚度，導致在過爐過程中引腳與焊錫間未接觸，造成引腳上錫不良；通過爐溫驗證可知，連接器上引腳的實測溫度相比於其他元器件引腳的峰值溫度偏低，相差8℃，較低的峰值溫度會對潤濕能力產生不良影響，影響引腳的上錫性。

4. 結論

連接器上錫不良的主要表現為引腳下表面與焊點不相接，導致此失效的原因有兩方面：①過爐過程中存在熱變形；②過爐過程中連接器引腳溫度偏低，影響潤濕性能。

5. 建議

1、適當增加連接器中間區域的錫膏印刷厚度；

2、優化焊接爐溫曲線和鏈速（優先方向）。

6. 參考標準

1、GJB 548B-2005 微電子器件試驗方法和程序 方法 5003 微電路的失效分析程序

2、IPC-J-STD-002C-2008 元器件引線、端子、焊片、接線柱和導線的可焊性測試

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