连接器环球国际客服上锡不良失效分析

2015-10-16  浏览量:4075

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后发现个别环球国际客服上锡不良,失效不稳定;该连接器环球国际客服每侧共50个环球国际客服,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环球国际客服确实存在环球国际客服上锡不良现象,失效环球国际客服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,且两端环球国际客服上锡相对较好,典型照片见图1。正常样品表现为两端上锡饱满,中间区域环球国际客服上锡不饱满,典型照片见图2,该现象说明失效可能与位置相关。

 

失效分析
图1 失效样品典型放大图片
失效分析
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焊点表面和未使用环球国际客服表面进行表面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,说明造成该环球国际客服上锡不良与污染相关性不大。

 

SEM+EDS

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

 

SEM+EDS

图4 未使用环球国际客服表面SEM图片和EDS能谱图

 

表2 未使用连接器环球国际客服表面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,而环球国际客服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焊点环球国际客服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,环球国际客服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,发现环球国际客服底部存在一层锡层,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焊点环球国际客服底部锡层为环球国际客服表面镀锡层,因此可侧面说明NG焊点在SMT过炉过程中,环球国际客服底部与焊锡没有良好接触。

 

SEM+EDS

图5 NG焊点纵向切片SEM图片及EDS能谱图

 

表3 NG焊点环球国际客服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

 

SEM+EDS

图6 NG焊点横向切片SEM图片及EDS能谱图

 

表4 NG-3#焊点环球国际客服底部与焊锡之间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 环球国际客服剥离成分分析

用机械方式将NG焊点剥离,发现环球国际客服剥离力较小,说明连接器环球国际客服与焊盘为假焊。分离后,发现焊锡表面及环球国际客服底部存在较多异物,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端焊点和环球国际客服进行表面观察,注意到NG焊点环球国际客服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,环球国际客服与焊锡未接触。

 

焊锡成分分析 焊锡成分分析
图7 剥离后焊锡图片 图8 剥离后环球国际客服图片
FTIR图谱
图9 NG焊点焊锡表面异物FTIR图谱

 

2.5 可焊性分析

为了验证环球国际客服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环球国际客服的可焊性。

随机取3pcs未使用连接器,用助焊剂均匀涂覆环球国际客服,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,未使用连接器环球国际客服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,该批次连接器环球国际客服的可焊性良好,排除环球国际客服可焊性差,造成环球国际客服不上锡的可能。

 

失效分析

图10 未使用连接器环球国际客服可焊性图片

 

2.6 过炉时环球国际客服平面度分析

为确定器件在过炉过程中的变形情况,采用SMT时炉温曲线,实时监测环球国际客服的变形程度,环球国际客服编号见图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,连接器环球国际客服的平面度良好,在过炉过程中(220℃及峰值温度),个别连接器中间部位环球国际客服变形量偏大(见1#连接器),说明在过炉过程中个别连接器的个别环球国际客服会发生较大变形,对上锡产生不良影响。

 

失效分析

图11 环球国际客服编号示意图

 

失效分析
失效分析
失效分析
图12 连接器环球国际客服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,对连接器上环球国际客服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,连接器环球国际客服在过炉过程中,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。 

 

失效分析

图13 炉温测试位置示意图

 

失效分析

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环球国际客服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;通过剖面分析和环球国际客服剥离后分析可知,NG焊点为假焊,内部表现为环球国际客服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,环球国际客服与焊锡未接触,而通常导致焊点分层的主要原因有三点:①连接器环球国际客服可焊性较差;②连接器环球国际客服共面性存在问题;③炉温设置不当。

通过可焊性验证分析,可排除连接器环球国际客服本身可焊性差问题;根据对环球国际客服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环球国际客服在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,导致在过炉过程中环球国际客服与焊锡间未接触,造成环球国际客服上锡不良;通过炉温验证可知,连接器上环球国际客服的实测温度相比于其他元器件环球国际客服的峰值温度偏低,相差8℃,较低的峰值温度会对润湿能力产生不良影响,影响环球国际客服的上锡性。

 

4. 结论

连接器上锡不良的主要表现为环球国际客服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过炉过程中连接器环球国际客服温度偏低,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

 

*****结束*****

 

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