連接器焊接到FPC軟板上出現(xiàn)空焊的案例分析

連接器作為電子產品中的重要組成部件之一，其焊接質量也會直接影響到電子產品的性能，尤其是多引腳的連接器其焊接不良普遍存在。由于連接器引腳的共面性、連接器可焊性能力、連接器的鍍層品質、焊接熱量、錫膏品質、電路板的高溫翹曲變形等多種因素的影響，常表現(xiàn)出來有空焊、虛焊等異常。本文選取了連接器焊接到FPC軟板上出現(xiàn)空焊的案例進行分析。

案例分析1、背景連接器焊接到柔性電路板（FPC）上，連接器引腳出現(xiàn)空焊、上錫高度不足等不良現(xiàn)象，不良率約為70%。 產品正面（經一次回流）和反面（經兩次回流）的連接器引腳均有發(fā)現(xiàn)空焊不良，不良主要發(fā)生在連接器的兩端。 連接器引腳的表面處理方式是電鍍鎳金（ENEG）,FPC表面處理方式是OSP。

2、分析過程

外觀檢查

使用3D光學顯微鏡對失效樣品進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)： 1）連接器中間區(qū)域上錫較好，側端有空焊現(xiàn)象。 2）將連接器焊點立起來，以連接器塑膠本體作為基準線，觀察連接器引腳到基準線的高度，發(fā)現(xiàn)FPC與連接器引腳間有變形，呈現(xiàn)中間高兩端低的現(xiàn)象。

沾錫能力測試

對連接器Pin進行沾錫能力測試，以確認連接器Pin的可焊性是否正常。 沾錫能力測試參考標準IPC J-STD 002D，使用Solder globule wetting balance方法進行。測試參數(shù)如表1所示：

連接器正反面引腳的沾錫能力測試結果如圖3，從測試曲線上看，引腳上錫良好，可焊性未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

焊點IMC分析

選擇不良產品上的正常焊點進行切片和SEM+EDS分析，通過觀察焊點IMC的生長狀況，確認焊點內部潤濕狀況，及焊接熱量是否正常。從結果上看，連接器焊點生成了連續(xù)的且厚度正常的Ni3Sn4IMC層，即焊點內部潤濕良好，焊接熱量正常。故初步排除焊接熱量對此案不良現(xiàn)象的影響。

錫膏品質分析

本案例中使用的錫膏為千住K2V錫膏，通過測定其擴散性來驗證錫膏的潤濕品質狀況。擴散性參考標準JIS-Z-3197 8.3.1.1進行，將適量的錫膏試樣放置在銅板上，加熱一定時間使其熔化，待冷卻凝固后測量錫膏的尺寸來計算得出錫膏的擴散率。具體的計算方法如下：SR=（D-H）/ D*100其中，SR----擴散率（%） H----擴散凝固后的錫膏高度 D----擴散凝固后的錫膏直徑（把擴散凝固后的錫膏假定為球體，D=1.24V1/3） 測試結果如下：

根據(jù)行業(yè)及制程的經驗顯示，錫膏的擴散率達到75~80%時，其潤濕性正常。從5片測試試樣的結果來看，該錫膏的潤濕性良好。

焊點切片分析

對NG樣品連接器焊點進行切片分析，發(fā)現(xiàn)左右兩側引腳到FPC-Pad的間距明顯比中間引腳到FPC-Pad的間距大，間距差異達到108.3um，呈現(xiàn)兩側高中間低的現(xiàn)象。

OK樣品的焊點同樣呈現(xiàn)兩側高中間低的現(xiàn)象，間距差異為44.9um,遠小于NG樣品焊點內間距。

為了進一步確認樣品焊點內引腳到FPC-Pad的間距變化規(guī)律，隨機選取了8片樣品（包括正反面）進行切片并量測尺寸，統(tǒng)計結果見圖9，與圖7、圖8現(xiàn)象一致。

連接器共面性分析

對過爐前和過爐后的連接器引腳進行共面性量測，未發(fā)現(xiàn)超出規(guī)格（100um）的現(xiàn)象。初步排除連接器變形對此失效的影響。

FPC熱變形分析

從結構上看FPC的連接器焊接區(qū)域背面都有貼合FR4補強片，目的是增加FPC的機械強度，便于連接器焊接。由于FPC軟板的強度較低，高溫變形較大，則補強片的耐熱變形能力，將直接影響到FPC側的變形狀況，從而影響到焊接的有效距離。

因此我們會重點關注補強片的耐熱性。通過用差熱掃描儀（DSC）測試補強片的玻璃化轉變溫度（Tg）僅為130~140℃，即補強片從玻璃態(tài)轉化為橡膠態(tài)的溫度點為130~140℃。

在正常的無鉛焊接中需要經受235~250℃的高溫，在此高溫過程中補強片處于橡膠態(tài)，很可能會發(fā)生較大的翹曲變形，未能對FPC軟板起到很好的支撐作用，以致FPC軟板發(fā)生較大的翹曲變形。

產品結構分析

從結構上看，連接器是通過post柱與FPC的定位孔匹配的，如果post柱和定位孔的匹配性不佳，貼裝插入時post柱也會對FPC造成一定的變形。通過對NG品/OK品的post柱和定位孔位置進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)：NG品補強片與FPC定位孔對位不準，F(xiàn)PC的通孔內有毛刺等問題，部分樣品的連接器post柱無法正常下壓，底部頂在補強片表面或孔內毛刺上。

結果分析綜合上述的試驗結果，連接器空焊不良與物料可焊性、SMT焊接熱量、錫膏潤濕性、連接器共面性無關，與FPC軟板變形有關。FPC軟板的變形主要來自于兩方面： A、由于公差及FPC軟板定位孔毛刺等問題，連接器兩側的post柱與FPC軟板上定 位孔匹配性不佳，貼裝插入時post柱支撐在FPC軟板表面或定位孔內毛刺上，對FPC軟板有機械應力的作用，導致FPC軟板變形（見圖14）。 B、FPC補強片耐熱變形能力不佳，焊接高溫過程未對FPC軟板起到加強支撐的作用，以致FPC軟板發(fā)生翹曲變形。FPC補強片的玻璃化轉變溫度（Tg）只有130~140℃，即在溫度低于130~140℃時，補強片呈剛性，在應力作用下形變很小，狀態(tài)類似玻璃，處在玻璃態(tài)。當溫度超過130~140℃時，補強片從玻璃態(tài)轉變?yōu)橄鹉z態(tài)，在應力作用下形變明顯且隨著溫度的升高而增大（見圖13）。在正常的焊接中產品需要經受235~250℃的高溫，在此高溫過程中補強片處于橡膠的高彈狀態(tài)，未能對FPC軟板起到加強支撐的作用，以致FPC軟板發(fā)生翹曲變形（見圖15）。

結束語從上述分析可知，F(xiàn)PC軟板變形是造成連接器空焊不良的主要原因。為了改善并降低此不良發(fā)生的風險，建議對策如下： A．更改連接器設計：去掉連接器的post柱，避免與FPC軟板匹配的問題，造成FPC軟板受機械應力而變形。 B．增加載具：設計壓合FPC軟板的磁性載具（見圖16），降低FPC軟板在SMT焊接時發(fā)生較大變形。 C．更改FPC設計：增加FPC底部的補強片厚度（從目前的400um增加到800um）,以增強對FPC軟板的支撐作用。

審核編輯 ：李倩