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1、连接器引脚上锡不良失效分析连接器引脚上锡不良失效分析（作者：美信检测美信检测 失效分析实验室）1.1. 案例背景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%） 。2.2. 分析方法简述分析方法简述2.1 样品外观观察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
2、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上锡不饱满上锡不良上锡饱满上锡饱满上锡不饱满上锡饱满2.2 表面分析表面分析如图 34 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 12，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%)SpectrumCONiC
3、uSnTotal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%)SpectrumCOSnTotal位置 12.755.2791.98100.00位置 22.745.4391.82100.002.3 剖面分析剖面分析将 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
4、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
5、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%)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异物异物图 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%)SpectrumCOCuAgSnTotal位置 11.060.780.70/97.46100.00位置 2
6、1.070.770.57/97.59100.00位置 313.5116.401.75/68.35100.00位置 41.190.891.153.5293.26100.00位置 51.230.920.932.3094.63100.002.4 引脚剥离成分分析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 79。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
7、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。焊锡IMC 层Cu 基Cu 基锡图 7 剥离后焊锡图片图 8 剥离后引脚图片图 9 NG 焊点焊锡表面异物 FTIR 图谱2.5 可焊性分析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
8、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。测试位置图 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
9、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 引脚编号示意图正面底面端面1Pin 4Pin 7Pin 10Pin 13Pin 16Pin 19Pin 22Pin 25Pin 28Pin 31Pin 34Pin 37Pin 40Pin 43Pin 46Pin 49Pin 52Pin 55Pin 58Pin 61Pin 64Pin 67Pin 70Pin 73Pin 76Pin 79Pin 82Pin 85Pin 88Pin 91Pin 94Pin 97Pin 100Pin00.050.10.150.2Initial220Peak220Final图 12 连接器引脚在各温度时平
10、面度的曲线图1#2#3#2.7 炉温验证分析炉温验证分析由于 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 炉温测试曲线测试点 2测试点 13
11、.3. 分析与讨论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：连接器引脚可焊性较差；连接器引脚共面性存在问题；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
12、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。4.4. 结论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：过炉过程中存在热变形；过炉过程中连接器引脚温度偏低，影响润湿性能。5.5. 建议建议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） 。6.6. 参考标准参考标准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
