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連接器引腳上錫不良失效分析

2015-10-16  瀏覽量:3568

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。

 

失效分析
圖1 失效樣品典型放大圖片
失效分析
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。

 

SEM+EDS

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%)

SpectrumCONiCuSnTotal
位置13.344.83/1.1590.68100.00
位置22.834.58//92.59100.00
位置32.995.510.82/Sn100.00

 

SEM+EDS

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%)

SpectrumCOSnTotal
位置12.755.2791.98100.00
位置22.745.4391.82100.00

 

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。

 

SEM+EDS

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%)

SpectrumCOBrSnTotal
位置231.358.1023.0837.48100.00
位置326.995.7825.1842.05100.00
位置428.604.3318.5148.55100.00

 

SEM+EDS

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%)

SpectrumCOCuAgSnTotal
位置11.060.780.70/97.46100.00
位置21.070.770.57/97.59100.00
位置313.5116.401.75/68.35100.00
位置41.190.891.153.5293.26100.00
位置51.230.920.932.3094.63100.00

 

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。

 

焊錫成分分析焊錫成分分析
圖7 剝離後焊錫圖片圖8 剝離後引腳圖片
FTIR圖譜
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。

 

失效分析

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。

 

失效分析

圖11 引腳編號示意圖

 

失效分析
失效分析
失效分析
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。 

 

失效分析

圖13 爐溫測試位置示意圖

 

失效分析

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

 

*****結束*****

 

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