连接器焊接不良失效分析

可靠性杂坛 2022-03-04 08:03

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本文来源可靠性技术交流

连接器作为电子产品中的重要组成部件之一，其焊接质量也会直接影响到电子产品的性能，尤其是多引脚的连接器其焊接不良普遍存在。由于连接器引脚的共面性、连接器可焊性能力、连接器的镀层品质、焊接热量、锡膏品质、电路板的高温翘曲变形等多种因素的影响，常表现出来有空焊、虚焊等异常。本文选取了连接器焊接到FPC软板上出现空焊的案例进行分析。

案例分析

1、背景

连接器焊接到柔性电路板（FPC）上，连接器引脚出现空焊、上锡高度不足等不良现象，不良率约为70%。

产品正面（经一次回流）和反面（经两次回流）的连接器引脚均有发现空焊不良，不良主要发生在连接器的两端。

连接器引脚的表面处理方式是电镀镍金（ENEG）,FPC表面处理方式是OSP。

2、分析过程

外观检查

使用3D光学显微镜对失效样品进行外观检查，发现：

1）连接器中间区域上锡较好，侧端有空焊现象。

2）将连接器焊点立起来，以连接器塑胶本体作为基准线，观察连接器引脚到基准线的高度，发现FPC与连接器引脚间有变形，呈现中间高两端低的现象。

沾锡能力测试

对连接器Pin进行沾锡能力测试，以确认连接器Pin的可焊性是否正常。

沾锡能力测试参考标准IPC J-STD 002D，使用Solder globule wetting balance方法进行。测试参数如表1所示：

连接器正反面引脚的沾锡能力测试结果如图3，从测试曲线上看，引脚上锡良好，可焊性未发现明显异常。

焊点IMC分析

选择不良产品上的正常焊点进行切片和SEM+EDS分析，通过观察焊点IMC的生长状况，确认焊点内部润湿状况，及焊接热量是否正常。从结果上看，连接器焊点生成了连续的且厚度正常的Ni3Sn4IMC层，即焊点内部润湿良好，焊接热量正常。故初步排除焊接热量对此案不良现象的影响。

锡膏品质分析

本案例中使用的锡膏为千住K2V锡膏，通过测定其扩散性来验证锡膏的润湿品质状况。扩散性参考标准JIS-Z-3197 8.3.1.1进行，将适量的锡膏试样放置在铜板上，加热一定时间使其熔化，待冷却凝固后测量锡膏的尺寸来计算得出锡膏的扩散率。具体的计算方法如下：

SR=（D-H）/ D*100

其中，SR----扩散率（%）

H----扩散凝固后的锡膏高度

D----扩散凝固后的锡膏直径（把扩散凝固后的锡膏假定为球体，D=1.24V1/3）

测试结果如下：

根据行业及制程的经验显示，锡膏的扩散率达到75~80%时，其润湿性正常。从5片测试试样的结果来看，该锡膏的润湿性良好。

焊点切片分析

对NG样品连接器焊点进行切片分析，发现左右两侧引脚到FPC-Pad的间距明显比中间引脚到FPC-Pad的间距大，间距差异达到108.3um，呈现两侧高中间低的现象。

OK样品的焊点同样呈现两侧高中间低的现象，间距差异为44.9um,远小于NG样品焊点内间距。

为了进一步确认样品焊点内引脚到FPC-Pad的间距变化规律，随机选取了8片样品（包括正反面）进行切片并量测尺寸，统计结果见图9，与图7、图8现象一致。

连接器共面性分析

对过炉前和过炉后的连接器引脚进行共面性量测，未发现超出规格（100um）的现象。初步排除连接器变形对此失效的影响。

FPC热变形分析

从结构上看FPC的连接器焊接区域背面都有贴合FR4补强片，目的是增加FPC的机械强度，便于连接器焊接。由于FPC软板的强度较低，高温变形较大，则补强片的耐热变形能力，将直接影响到FPC侧的变形状况，从而影响到焊接的有效距离。

因此我们会重点关注补强片的耐热性。通过用差热扫描仪（DSC）测试补强片的玻璃化转变温度（Tg）仅为130~140℃，即补强片从玻璃态转化为橡胶态的温度点为130~140℃。

在正常的无铅焊接中需要经受235~250℃的高温，在此高温过程中补强片处于橡胶态，很可能会发生较大的翘曲变形，未能对FPC软板起到很好的支撑作用，以致FPC软板发生较大的翘曲变形。

产品结构分析

从结构上看，连接器是通过post柱与FPC的定位孔匹配的，如果post柱和定位孔的匹配性不佳，贴装插入时post柱也会对FPC造成一定的变形。通过对NG品/OK品的post柱和定位孔位置进行外观检查，发现：NG品补强片与FPC定位孔对位不准，FPC的通孔内有毛刺等问题，部分样品的连接器post柱无法正常下压，底部顶在补强片表面或孔内毛刺上。

结果分析

综合上述的试验结果，连接器空焊不良与物料可焊性、SMT焊接热量、锡膏润湿性、连接器共面性无关，与FPC软板变形有关。FPC软板的变形主要来自于两方面：

A、由于公差及FPC软板定位孔毛刺等问题，连接器两侧的post柱与FPC软板上定位孔匹配性不佳，贴装插入时post柱支撑在FPC软板表面或定位孔内毛刺上，对FPC软板有机械应力的作用，导致FPC软板变形（见图14）。

B、FPC补强片耐热变形能力不佳，焊接高温过程未对FPC软板起到加强支撑的作用，以致FPC软板发生翘曲变形。FPC补强片的玻璃化转变温度（Tg）只有130~140℃，即在温度低于130~140℃时，补强片呈刚性，在应力作用下形变很小，状态类似玻璃，处在玻璃态。当温度超过130~140℃时，补强片从玻璃态转变为橡胶态，在应力作用下形变明显且随着温度的升高而增大（见图13）。在正常的焊接中产品需要经受235~250℃的高温，在此高温过程中补强片处于橡胶的高弹状态，未能对FPC软板起到加强支撑的作用，以致FPC软板发生翘曲变形（见图15）。