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. 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。
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| 图1 失效样品典型放大图片 |
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| 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1~2，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%)
| 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 |
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%)
| 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，而引脚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%)
| 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 |
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%)
| 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 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端焊点和引脚进行表面观察，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。
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| 图7 剥离后焊锡图片 | 图8 剥离后引脚图片 |
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| 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。
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
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
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| 图12 连接器引脚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
3. 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：①连接器引脚可焊性较差；②连接器引脚共面性存在问题；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. 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：①过炉过程中存在热变形；②过炉过程中连接器引脚温度偏低，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
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