连接器焊接到FPC软板上出现空焊的案例分析
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）。
结束语 从上述分析可知，fpc软板变形是造成连接器空焊不良的主要原因。为了改善并降低此不良发生的风险，建议对策如下： a．更改连接器设计：去掉连接器的post柱，避免与fpc软板匹配的问题，造成fpc软板受机械应力而变形。 b．增加载具：设计压合fpc软板的磁性载具（见图16），降低fpc软板在smt焊接时发生较大变形。 c．更改fpc设计：增加fpc底部的补强片厚度（从目前的400um增加到800um）,以增强对fpc软板的支撑作用。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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结束语 从上述分析可知，fpc软板变形是造成连接器空焊不良的主要原因。为了改善并降低此不良发生的风险，建议对策如下： a．更改连接器设计：去掉连接器的post柱，避免与fpc软板匹配的问题，造成fpc软板受机械应力而变形。 b．增加载具：设计压合fpc软板的磁性载具（见图16），降低fpc软板在smt焊接时发生较大变形。 c．更改fpc设计：增加fpc底部的补强片厚度（从目前的400um增加到800um）,以增强对fpc软板的支撑作用。
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