軟釬劑試驗方法系列標準解析

孫曉梅, 呂曉春, 宋北, 楊昊泉, 姜英龍

(1.全國焊接標準化技術委員會釬焊分委會秘書處,黑龍江 哈爾濱 150028;2.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

軟釬劑作為軟釬焊工藝的關鍵配套組合材料,其對軟釬焊接頭的質(zhì)量具有決定性的影響。中國正在實施的強基工程、國家科技重大專項“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產(chǎn)品專項”和“超大規(guī)模集成電路制造裝備與成套工藝專項”中的核心電子器件、高端芯片及集成電路成套工藝等技術研發(fā)中,軟釬劑是關鍵的基礎材料,其質(zhì)量性能評價的試驗方法標準制定具有重要意義。

1 國外軟釬劑試驗方法標準的現(xiàn)狀

國外現(xiàn)行的軟釬劑試驗方法標準分別是國際標準化組織制定的ISO標準、歐洲標準化委員會(CEN)制定的EN標準、日本工業(yè)標準調(diào)查會(JISC)制定的JIS標準、國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會制定的IPC標準及國際電工委員會制定的IEC標準。詳細信息見表1。

ISO自1990年起陸續(xù)發(fā)布實施了一系列軟釬劑試驗方法標準,ISO/TC44/SC12(軟釬焊材料分委會)在《軟釬劑試驗方法》系列標準制定過程中,總體策劃了17個部分,但由于技術、起草等多方面原因,導致第4部分和第7部分沒有提出草案稿;因銅腐蝕試驗(第15部分)優(yōu)于鋼管腐蝕試驗(第12部分),ISO 9455-12:1992《Soft soldering fluxes — Test methods — Part 12: Steel tube corrosion test》(軟釬劑試驗方法 第12部分:鋼管腐蝕試驗)在2011年1月通過委員會表決廢止,目前現(xiàn)行軟釬劑試驗方法標準共計14項。

1993年,CEN等效采用ISO標準制定了第一個軟釬劑試驗方法標準EN 29455-1:1993《Soft soldering fluxes — Test methods — Part 1: Determination of non-volatile matter, gravimetric method 》,2011年按照ISO與CEN達成的《維也納協(xié)議》,ISO標準與EN標準相互采用。所以CEN發(fā)布的一系列軟釬劑試驗方法標準都等效采用ISO標準,目前現(xiàn)行的標準也是14項。

JISC于1972年發(fā)布JIS Z 3197:1972《軟釬劑試驗方法》,分別于2012年和2021年進行修訂。JIS Z 3197:2021中包含軟釬劑檢測項目共18項。與ISO對應的試驗方法共11項,且大部分都修改采用ISO標準,技術內(nèi)容基本相同。

電子組裝行業(yè)比較認可的是IPC標準,IPC出版的IPC-TM-650《測試方法手冊》是用于對各種形式的印制板和連接器及其相關材料進行化學、機械、電氣和環(huán)境測試驗證的方法合集,總計260多種測試方法,其中包含軟釬劑試驗方法共13項,與ISO對應的試驗方法共11項。在起草中國軟釬劑試驗方法標準時,有少部分技術內(nèi)容參考了IPC的標準。

IEC/TC 91(電子組裝技術委員會)制定了與軟釬劑試驗方法有關的標準有IEC 61189-2,IEC 61189-3,IEC 61189-5及IEC 61189-6,涉及的軟釬劑試驗方法共14項。與ISO對應的試驗方法為11項。因為電子組裝用軟釬焊材料的標準化項目是由IEC/TC91與ISO/TC44/SC12共同承擔,同時邀請IPC,JEITA及JPCA等組織的專家參與起草標準,共同完成國際標準化工作[1]。所以軟釬劑試驗方法的IEC標準的技術內(nèi)容與ISO標準和IPC標準相似。

2 軟釬劑試驗方法標準制定背景

軟釬劑作為軟釬料中的重要組成部分,不僅對釬料的可焊性、工藝性有重要影響,同時對環(huán)境、對焊點的可靠性及應用也非常關鍵。中國從1995年已頒布實施了GB/T 15829《軟釬劑 分類與性能要求》產(chǎn)品標準,分別在2008年和2021年進行修訂,修訂后的軟釬劑產(chǎn)品標準一直缺少相應的試驗方法標準。

中國釬焊標準體系對照ISO標準體系對14項軟釬劑試驗方法標準逐批進行了轉(zhuǎn)化。哈爾濱焊接研究院有限公司(現(xiàn)已更名為中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司)主導制定的14項《軟釬劑試驗方法》系列國家標準是軟釬劑的通用性試驗方法,其中第1部分、第2部分、第10部和第16部分于2019年12月31日發(fā)布,并于2020年7月1日起正式實施;第5部分、第11部分、第13部分、第14部分、第15部分于2021年12月31日發(fā)布,并于2022年7月1日起正式實施;第3部分、第6部分、第8部分、第9部分和第17部分于2022年10月12日發(fā)布并實施,并由全國焊接標準化技術委員會歸口。此系列標準在修改采用ISO標準的同時參考電子組裝行業(yè)比較認可的IPC標準中的部分技術條件并結(jié)合我國實際的技術條件進行制定。14項軟釬劑試驗方法系列標準的實施,對軟釬劑技術研究與應用的科學評價具有支撐作用。為了便于更好地應用軟釬劑試驗方法系列標準,筆者對其制定情況進行簡要介紹。

3 各部分對應情況及適用范圍

14項軟釬劑試驗方法國家標準是采用國際標準,且首次制定。各部分采標情況及適用范圍見表2[2-15]。其中,14項標準具體如下:GB/T 38265.1—2019《軟釬劑試驗方法 第1部分:不揮發(fā)物質(zhì)含量的測定 重量法》、GB/T 38265.2—2019《軟釬劑試驗方法 第2部分:不揮發(fā)物質(zhì)含量的測定 沸點法》、GB/T 38265.3—2022《軟釬劑試驗方法 第3部分:酸值的測定 電位滴定法和目視滴定法》、GB/T 38265.5—2021《軟釬劑試驗方法 第5部分:銅鏡試驗》、GB/T 38265.6—2022《軟釬劑試驗方法 第6部分:鹵化物(不包括氟化物)含量的測定》、GB/T 38265.8—2022《軟釬劑試驗方法 第8部分:鋅含量的測定》、GB/T 38265.9—2022《軟釬劑試驗方法 第9部分:氨含量的測定》、GB/T 38265.10—2019《軟釬劑試驗方法 第10部分:軟釬劑潤濕性能—鋪展試驗方法》、GB/T 38265.11—2021《軟釬劑試驗方法 第11部分:釬劑殘留物的可溶性》、GB/T 38265.13—2021《軟釬劑試驗方法 第13部分:釬劑濺散性的測定》、GB/T 38265.14—2021《軟釬劑試驗方法 第14部分:釬劑殘留物膠粘性的評價》、GB/T 38265.15—2021《軟釬劑試驗方法 第15部分:銅腐蝕試驗》、GB/T 38265.16—2019《軟釬劑試驗方法 第16部分:軟釬劑潤濕性能—潤濕平衡法》及GB/T 38265.17—2022《軟釬劑試驗方法 第17部分:釬劑殘留物的表面絕緣電阻梳刷試驗和電化學遷移試驗》。

4 各部分與ISO 9455的技術差異

4.1 規(guī)范性引用文件的調(diào)整

關于規(guī)范性引用文件,軟釬劑試驗方法標準做了具有技術差異性的調(diào)整,以適應中國的技術條件,調(diào)整的內(nèi)容見表3[2-15]。

表3 規(guī)范性引用文件的調(diào)整

4.2 技術要求

ISO軟釬劑試驗方法標準實施了幾十年,對軟釬劑的制備技術提高及新產(chǎn)品研發(fā)應用起到了重要的推動作用,被美國、歐盟及日本多個國家和區(qū)域的組織所采用,但其中部分標準標齡較長,技術內(nèi)容已經(jīng)滯后。所以中國轉(zhuǎn)化ISO標準時,在廣泛征求相關生產(chǎn)單位和專家的意見基礎上,結(jié)合中國實際應用情況,在適用范圍、方法原理及試驗步驟等方面進行了技術差異性的修改。

4.2.1范圍

該系列標準范圍的主要修改:①刪除“基于2種釬劑通過液態(tài)釬料促進金屬表面潤濕的能力,給出了2種釬劑(標準釬劑和待測釬劑)功效的對比定性評價方法?！?此句為標準的原理,且在原理中已詳細規(guī)定,無需在“范圍”中進行描述;②將“本部分規(guī)定了一種評價軟釬劑功效的方法,稱為潤濕平衡法”改為“本部分規(guī)定了軟釬劑潤濕性能評價的試驗方法—潤濕平衡法”,“功效”代表的范圍比較廣,沒有點出釬劑的具體性能。更改后的標準指明了評價軟釬劑“潤濕性能”的方法,表述更準確。

4.2.2術語、定義及符號

該系列標準術語和定義的主要修改:①增加了“潤濕力,熔融釬料沿著垂直方向的金屬片浸潤時產(chǎn)生的作用力,包括相應的浮力在內(nèi)?！?②增加了“釬料浴,可盛裝釬料,具備加熱條件以熔化釬料,并可在一定溫度下持續(xù)保溫的裝置?！?為了標準應用者更好的理解其試驗方法和步驟。

4.2.3原理

該系列標準在規(guī)定原理的主要修改:刪除了“本方法適用于所有軟釬劑。如有要求,軟釬劑試樣的功效試驗可與軟釬劑標準試樣(見附錄B)進行比較?！?該方法的適用范圍和軟釬劑的功效試驗評價方法分別在第1章“范圍”中和第9章“試驗結(jié)果的表達”中已明確描述,無需在“原理”中贅述,且不符合“原理”的編寫要求。

4.2.4試劑和材料

該系列標準所使用試劑和材料的主要修改:①刪除“軟釬劑成分參數(shù)參照IEC 68-2-20: 1979,附錄C?！?軟釬劑中松香、二乙胺鹽酸鹽、異丙醇等成分已在“試劑”中進行描述,無需引用IEC 68-2-20:1979,便于標準應用;②增加了“丙酮”的特性描述,“符合GB/T 686要求的分析純試劑。”;③增加了“異丙醇”的特性描述,“符合HG/T 2892要求的分析純試劑?！?根據(jù)中國的技術條件,增加化學試劑的特性要求,經(jīng)驗證減少了試驗過程中試劑差異而產(chǎn)生的誤差;④更改了松香試劑的特性要求,“將“W-W級別松香”修改為“符合GB/T 8145要求的1級松香”,按照中國的技術條件要求,軟釬劑試驗方法中ISO使用的w-w級松香對應中國使用的松香為符合GB/T 8145要求的1級松香,經(jīng)過試驗驗證,配制的松香參比溶液適用;⑤將“工業(yè)酒精”改為“乙醇”,工業(yè)酒精具有一定的毒性,不易操作;根據(jù)中國試驗室中常用試劑,應使用乙醇試劑,且并引用對應國家標準;⑥增加了“油性蠟筆”的特性描述,“用于阻止軟釬劑在試驗中擴散?！?便于標準的引用;⑦更改了試板力學性能的具體要求,“試板力學性能符合GB/T 2040中H02供應狀態(tài)的要求。”,根據(jù)ISO標準中黃銅試板的力學性能要求,用中國對應的黃銅試板的標準代替,按照中國標準制備的黃銅試板經(jīng)試驗后保證了試驗結(jié)果的準確性及一致性,便于標準的引用;⑧增加了 “白堊粉”的特性描述,“主要成分為碳酸鈣”,確保試驗用材料符合試驗要求,便于標準的引用;⑨增加了“無酸濾紙”的特性描述,“試件清洗過程中使用?！?⑩更改了氫氧化鉀乙醇溶液的標定方法,增加可操作性,便于標準的應用;更改了酚酞指示液的配制方法,以適應中國的技術條件;將“乙二酸”改為“二水合草酸(草酸)”,以適應中國的技術條件;更改了試劑“鹽酸”、“氨水”的密度值,以適應中國的技術條件;更改了試劑“氫氧化鈉(1.0 mol/L)”和“硫酸溶液(0.5 mol/L)”的標定方法,以適應中國的技術條件;更改了試劑“甲基橙指示液(1 g/L)”的表述及制備過程,以適應中國的技術條件。

4.2.5儀器設備

該系列標準在儀器設備方面的主要修改:①增加了“沸水浴”的特性描述,“可盛裝蒸餾水,具備加熱條件,且能在沸騰條件下持續(xù)保溫”,這保證了試驗用儀器符合試驗條件,且不指定某一類型加熱設備,在標準使用時具有適用性和可操作性;②將天平精度從“0.1 mg”更改為“0.001 g”,與試驗步驟中稱取試樣質(zhì)量的精確度保持一致,易于測定試驗結(jié)果的重復性和再現(xiàn)性,以對其精密度進行準確評估;③增加了 “索氏提取器”的特性要求,“配有燒結(jié)玻璃提取套管,孔徑為40 μm～100 μm,符合GB/T 11415規(guī)定的P100等級要求?！?根據(jù)中國的技術條件制定,保證了試驗用儀器符合試驗條件,且具有可操作性;④“微量移液管”中將“能夠轉(zhuǎn)移25 μl液體”改為“能夠轉(zhuǎn)移0.025 ml液體”,根據(jù)中國化學試劑量取規(guī)定,統(tǒng)一試劑體積單位為ml;⑤軟釬料浴中將“對于S-Sn63Pb和S-Sn60Pb,軟釬料浴溫度保持在(235±5)℃”改為“對于S-Sn63Pb和S-Sn60Pb,軟釬料浴溫度保持在(235±5)℃”,S-Sn63Pb和S-Sn60Pb熔點較低,其軟釬料浴溫度誤差不易過大,避免影響試驗過程中加熱溫度,引起試驗結(jié)果的不準確;⑥潤濕平衡試驗系統(tǒng)中除了結(jié)構要求還在規(guī)范性附錄中增加了技術要求,包括加熱系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、電氣和機械等方面的的規(guī)定,這一技術要求的確定是根據(jù)中國的技術條件進行補充和完善的,經(jīng)驗證減少了試驗過程中因設備差異而產(chǎn)生的誤差;⑦增加了“實驗室分析天平”儀器,便于標準的應用;⑧增加了儀器設備中“軟毛刷”的特性要求,便于該文件的應用。

4.2.6試樣

該系列標準中試樣制備的主要修改:①黃銅試板中將“試板為CuZn37或CuZn40合金”和“磷脫氧銅板符合ISO 197-1的要求”改為“銅板成分及性能應符合GB/T 2040中規(guī)定的H62黃銅、H63黃銅或磷脫氧銅的技術要求”,按照中國的技術條件,修改了銅板成分及性能的具體要求,避免因銅板成分及性能因素不確定而影響試驗結(jié)果,確定成分及性能的銅板經(jīng)試驗后保證了試驗結(jié)果的準確性及一致性;②軟釬料樣品中將“實心軟釬料絲應符合供需雙方的要求”改為“實心軟釬料絲應符合GB/T 20422或GB/T 3131中的要求”,試樣的性能是試驗過程中重要的影響因素,按照中國的技術條件,明確和統(tǒng)一實心軟釬料絲的成分及性能可保證試驗結(jié)果的準確性;③液態(tài)試樣的制備,將“可添加兩倍的釬劑量”改為“可分多次添加釬劑在試件凹坑的釬料上”,通過試驗驗證,如果液態(tài)軟釬劑中不揮發(fā)物質(zhì)含量較低,即使添加兩倍的釬劑量,蒸發(fā)之后也可能不能滿足試驗量,所以分多次添加釬劑能夠滿足試驗量且不易造成一次添加過多的釬劑,影響試驗效果。

4.2.7試驗步驟

該系列標準中試驗步驟的主要修改:①試件的檢查中將“將白堊粉足量地撒在試件上的軟釬劑殘留物表面?！备臑椤皩讏追劬鶆虻厝鲈谠嚰系能涒F劑釬焊殘留物表面。”,更改后的表述更能準確地規(guī)定試驗操作方法,保證試驗效果;②將“選擇3個干凈的銅試件”改為“選擇3個干凈的預處理試件”,這步操作中使用的是經(jīng)去油脂、酸洗、水洗等處理的試件,所以不是原始銅試件,必須加“預處理”予以說明指出;③刪除了“附錄A中的每幅圖表示試件經(jīng)過腐蝕后的典型示例,顯示在試件凹坑中心有銀/藍色釬料和四周的釬劑殘留物。這些圖中的試件在特定區(qū)域都附有一幅放大視圖[(圖A.1 e)中附有2個放大視圖]?！?標準下文中已分別詳細描述了圖A.1 a)～圖A.1 e)的試驗結(jié)果,無須贅述,為了簡化標準語言而刪除上述段落;④更改了“硫化工藝法表面時效”的步驟,“由供需雙方協(xié)商確定?！?ISO標準附錄中規(guī)定了人工硫化法制備潤濕平衡試驗用試件的方法,操作復雜,硫化等級難以精準控制且不易保存,按照中國的實際情況,一般使用市售經(jīng)過硫化工藝法表面時效的銅試件,經(jīng)試驗驗證符合試驗要求,至于硫化等級的選擇則由供需雙方協(xié)商確定;⑤將“t0為試件剛剛接觸釬料浴中液態(tài)釬料表面的時刻”改為“t0為試件端部剛剛與釬料浴中液態(tài)釬料表面接觸的時刻”,因為試件是有一定厚度的,潤濕力不僅與試件的厚度有關還與浸入釬料的深度有關,增加“端部”強調(diào)試件浸入釬料的準確時間點,避免引起歧義;⑥更改了方法A中滴定軟釬劑溶液所使用的溶液,及對應的軟釬劑試樣質(zhì)量,增加可操作性,便于標準的應用。

4.2.8試驗數(shù)據(jù)處理

該系列標準中試驗數(shù)據(jù)處理的主要修改:參考IPC標準更改了酸值的計算公式,因酸值的測定受釬劑中揮發(fā)物質(zhì)的影響,所以酸值的公式要根據(jù)是否有揮發(fā)物質(zhì)而分別定義公式,更改后提高計算的準確性,便于本文件的應用。

5 結(jié)束語

GB/T 38265軟釬劑試驗方法系列標準于2019～2022年陸續(xù)發(fā)布實施。作為軟釬劑產(chǎn)品配套的檢測標準,實現(xiàn)了對軟釬劑性能的準確、定性評價,完善了軟釬劑產(chǎn)品的質(zhì)量評價體系,在實施過程中必將大幅提高中國軟釬劑產(chǎn)品的整體質(zhì)量水平,促進科技成果轉(zhuǎn)化,為中國軟釬焊產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供重要保障。