软钎剂试验方法系列标准解析

孙晓梅, 吕晓春, 宋北, 杨昊泉, 姜英龙

(1.全国焊接标准化技术委员会钎焊分委会秘书处,黑龙江 哈尔滨 150028;2.中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司,黑龙江 哈尔滨 150028)

0 前言

软钎剂作为软钎焊工艺的关键配套组合材料,其对软钎焊接头的质量具有决定性的影响。中国正在实施的强基工程、国家科技重大专项“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品专项”和“超大规模集成电路制造装备与成套工艺专项”中的核心电子器件、高端芯片及集成电路成套工艺等技术研发中,软钎剂是关键的基础材料,其质量性能评价的试验方法标准制定具有重要意义。

1 国外软钎剂试验方法标准的现状

国外现行的软钎剂试验方法标准分别是国际标准化组织制定的ISO标准、欧洲标准化委员会(CEN)制定的EN标准、日本工业标准调查会(JISC)制定的JIS标准、国际电子工业联接协会制定的IPC标准及国际电工委员会制定的IEC标准。详细信息见表1。

ISO自1990年起陆续发布实施了一系列软钎剂试验方法标准,ISO/TC44/SC12(软钎焊材料分委会)在《软钎剂试验方法》系列标准制定过程中,总体策划了17个部分,但由于技术、起草等多方面原因,导致第4部分和第7部分没有提出草案稿;因铜腐蚀试验(第15部分)优于钢管腐蚀试验(第12部分),ISO 9455-12:1992《Soft soldering fluxes — Test methods — Part 12: Steel tube corrosion test》(软钎剂试验方法 第12部分:钢管腐蚀试验)在2011年1月通过委员会表决废止,目前现行软钎剂试验方法标准共计14项。

1993年,CEN等效采用ISO标准制定了第一个软钎剂试验方法标准EN 29455-1:1993《Soft soldering fluxes — Test methods — Part 1: Determination of non-volatile matter, gravimetric method 》,2011年按照ISO与CEN达成的《维也纳协议》,ISO标准与EN标准相互采用。所以CEN发布的一系列软钎剂试验方法标准都等效采用ISO标准,目前现行的标准也是14项。

JISC于1972年发布JIS Z 3197:1972《软钎剂试验方法》,分别于2012年和2021年进行修订。JIS Z 3197:2021中包含软钎剂检测项目共18项。与ISO对应的试验方法共11项,且大部分都修改采用ISO标准,技术内容基本相同。

电子组装行业比较认可的是IPC标准,IPC出版的IPC-TM-650《测试方法手册》是用于对各种形式的印制板和连接器及其相关材料进行化学、机械、电气和环境测试验证的方法合集,总计260多种测试方法,其中包含软钎剂试验方法共13项,与ISO对应的试验方法共11项。在起草中国软钎剂试验方法标准时,有少部分技术内容参考了IPC的标准。

IEC/TC 91(电子组装技术委员会)制定了与软钎剂试验方法有关的标准有IEC 61189-2,IEC 61189-3,IEC 61189-5及IEC 61189-6,涉及的软钎剂试验方法共14项。与ISO对应的试验方法为11项。因为电子组装用软钎焊材料的标准化项目是由IEC/TC91与ISO/TC44/SC12共同承担,同时邀请IPC,JEITA及JPCA等组织的专家参与起草标准,共同完成国际标准化工作[1]。所以软钎剂试验方法的IEC标准的技术内容与ISO标准和IPC标准相似。

2 软钎剂试验方法标准制定背景

软钎剂作为软钎料中的重要组成部分,不仅对钎料的可焊性、工艺性有重要影响,同时对环境、对焊点的可靠性及应用也非常关键。中国从1995年已颁布实施了GB/T 15829《软钎剂 分类与性能要求》产品标准,分别在2008年和2021年进行修订,修订后的软钎剂产品标准一直缺少相应的试验方法标准。

中国钎焊标准体系对照ISO标准体系对14项软钎剂试验方法标准逐批进行了转化。哈尔滨焊接研究院有限公司(现已更名为中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司)主导制定的14项《软钎剂试验方法》系列国家标准是软钎剂的通用性试验方法,其中第1部分、第2部分、第10部和第16部分于2019年12月31日发布,并于2020年7月1日起正式实施;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日发布,并于2022年7月1日起正式实施;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日发布并实施,并由全国焊接标准化技术委员会归口。此系列标准在修改采用ISO标准的同时参考电子组装行业比较认可的IPC标准中的部分技术条件并结合我国实际的技术条件进行制定。14项软钎剂试验方法系列标准的实施,对软钎剂技术研究与应用的科学评价具有支撑作用。为了便于更好地应用软钎剂试验方法系列标准,笔者对其制定情况进行简要介绍。

3 各部分对应情况及适用范围

14项软钎剂试验方法国家标准是采用国际标准,且首次制定。各部分采标情况及适用范围见表2[2-15]。其中,14项标准具体如下:GB/T 38265.1—2019《软钎剂试验方法 第1部分:不挥发物质含量的测定 重量法》、GB/T 38265.2—2019《软钎剂试验方法 第2部分:不挥发物质含量的测定 沸点法》、GB/T 38265.3—2022《软钎剂试验方法 第3部分:酸值的测定 电位滴定法和目视滴定法》、GB/T 38265.5—2021《软钎剂试验方法 第5部分:铜镜试验》、GB/T 38265.6—2022《软钎剂试验方法 第6部分:卤化物(不包括氟化物)含量的测定》、GB/T 38265.8—2022《软钎剂试验方法 第8部分:锌含量的测定》、GB/T 38265.9—2022《软钎剂试验方法 第9部分:氨含量的测定》、GB/T 38265.10—2019《软钎剂试验方法 第10部分:软钎剂润湿性能—铺展试验方法》、GB/T 38265.11—2021《软钎剂试验方法 第11部分:钎剂残留物的可溶性》、GB/T 38265.13—2021《软钎剂试验方法 第13部分:钎剂溅散性的测定》、GB/T 38265.14—2021《软钎剂试验方法 第14部分:钎剂残留物胶粘性的评价》、GB/T 38265.15—2021《软钎剂试验方法 第15部分:铜腐蚀试验》、GB/T 38265.16—2019《软钎剂试验方法 第16部分:软钎剂润湿性能—润湿平衡法》及GB/T 38265.17—2022《软钎剂试验方法 第17部分:钎剂残留物的表面绝缘电阻梳刷试验和电化学迁移试验》。

4 各部分与ISO 9455的技术差异

4.1 规范性引用文件的调整

关于规范性引用文件,软钎剂试验方法标准做了具有技术差异性的调整,以适应中国的技术条件,调整的内容见表3[2-15]。

表3 规范性引用文件的调整

4.2 技术要求

ISO软钎剂试验方法标准实施了几十年,对软钎剂的制备技术提高及新产品研发应用起到了重要的推动作用,被美国、欧盟及日本多个国家和区域的组织所采用,但其中部分标准标龄较长,技术内容已经滞后。所以中国转化ISO标准时,在广泛征求相关生产单位和专家的意见基础上,结合中国实际应用情况,在适用范围、方法原理及试验步骤等方面进行了技术差异性的修改。

4.2.1范围

该系列标准范围的主要修改:①删除“基于2种钎剂通过液态钎料促进金属表面润湿的能力,给出了2种钎剂(标准钎剂和待测钎剂)功效的对比定性评价方法。”,此句为标准的原理,且在原理中已详细规定,无需在“范围”中进行描述;②将“本部分规定了一种评价软钎剂功效的方法,称为润湿平衡法”改为“本部分规定了软钎剂润湿性能评价的试验方法—润湿平衡法”,“功效”代表的范围比较广,没有点出钎剂的具体性能。更改后的标准指明了评价软钎剂“润湿性能”的方法,表述更准确。

4.2.2术语、定义及符号

该系列标准术语和定义的主要修改:①增加了“润湿力,熔融钎料沿着垂直方向的金属片浸润时产生的作用力,包括相应的浮力在内。”;②增加了“钎料浴,可盛装钎料,具备加热条件以熔化钎料,并可在一定温度下持续保温的装置。”,为了标准应用者更好的理解其试验方法和步骤。

4.2.3原理

该系列标准在规定原理的主要修改:删除了“本方法适用于所有软钎剂。如有要求,软钎剂试样的功效试验可与软钎剂标准试样(见附录B)进行比较。”,该方法的适用范围和软钎剂的功效试验评价方法分别在第1章“范围”中和第9章“试验结果的表达”中已明确描述,无需在“原理”中赘述,且不符合“原理”的编写要求。

4.2.4试剂和材料

该系列标准所使用试剂和材料的主要修改:①删除“软钎剂成分参数参照IEC 68-2-20: 1979,附录C。”,软钎剂中松香、二乙胺盐酸盐、异丙醇等成分已在“试剂”中进行描述,无需引用IEC 68-2-20:1979,便于标准应用;②增加了“丙酮”的特性描述,“符合GB/T 686要求的分析纯试剂。”;③增加了“异丙醇”的特性描述,“符合HG/T 2892要求的分析纯试剂。”,根据中国的技术条件,增加化学试剂的特性要求,经验证减少了试验过程中试剂差异而产生的误差;④更改了松香试剂的特性要求,“将“W-W级别松香”修改为“符合GB/T 8145要求的1级松香”,按照中国的技术条件要求,软钎剂试验方法中ISO使用的w-w级松香对应中国使用的松香为符合GB/T 8145要求的1级松香,经过试验验证,配制的松香参比溶液适用;⑤将“工业酒精”改为“乙醇”,工业酒精具有一定的毒性,不易操作;根据中国试验室中常用试剂,应使用乙醇试剂,且并引用对应国家标准;⑥增加了“油性蜡笔”的特性描述,“用于阻止软钎剂在试验中扩散。”,便于标准的引用;⑦更改了试板力学性能的具体要求,“试板力学性能符合GB/T 2040中H02供应状态的要求。”,根据ISO标准中黄铜试板的力学性能要求,用中国对应的黄铜试板的标准代替,按照中国标准制备的黄铜试板经试验后保证了试验结果的准确性及一致性,便于标准的引用;⑧增加了 “白垩粉”的特性描述,“主要成分为碳酸钙”,确保试验用材料符合试验要求,便于标准的引用;⑨增加了“无酸滤纸”的特性描述,“试件清洗过程中使用。”;⑩更改了氢氧化钾乙醇溶液的标定方法,增加可操作性,便于标准的应用;更改了酚酞指示液的配制方法,以适应中国的技术条件;将“乙二酸”改为“二水合草酸(草酸)”,以适应中国的技术条件;更改了试剂“盐酸”、“氨水”的密度值,以适应中国的技术条件;更改了试剂“氢氧化钠(1.0 mol/L)”和“硫酸溶液(0.5 mol/L)”的标定方法,以适应中国的技术条件;更改了试剂“甲基橙指示液(1 g/L)”的表述及制备过程,以适应中国的技术条件。

4.2.5仪器设备

该系列标准在仪器设备方面的主要修改:①增加了“沸水浴”的特性描述,“可盛装蒸馏水,具备加热条件,且能在沸腾条件下持续保温”,这保证了试验用仪器符合试验条件,且不指定某一类型加热设备,在标准使用时具有适用性和可操作性;②将天平精度从“0.1 mg”更改为“0.001 g”,与试验步骤中称取试样质量的精确度保持一致,易于测定试验结果的重复性和再现性,以对其精密度进行准确评估;③增加了 “索氏提取器”的特性要求,“配有烧结玻璃提取套管,孔径为40 μm～100 μm,符合GB/T 11415规定的P100等级要求。”,根据中国的技术条件制定,保证了试验用仪器符合试验条件,且具有可操作性;④“微量移液管”中将“能够转移25 μl液体”改为“能够转移0.025 ml液体”,根据中国化学试剂量取规定,统一试剂体积单位为ml;⑤软钎料浴中将“对于S-Sn63Pb和S-Sn60Pb,软钎料浴温度保持在(235±5)℃”改为“对于S-Sn63Pb和S-Sn60Pb,软钎料浴温度保持在(235±5)℃”,S-Sn63Pb和S-Sn60Pb熔点较低,其软钎料浴温度误差不易过大,避免影响试验过程中加热温度,引起试验结果的不准确;⑥润湿平衡试验系统中除了结构要求还在规范性附录中增加了技术要求,包括加热系统、升降系统、记录系统、电气和机械等方面的的规定,这一技术要求的确定是根据中国的技术条件进行补充和完善的,经验证减少了试验过程中因设备差异而产生的误差;⑦增加了“实验室分析天平”仪器,便于标准的应用;⑧增加了仪器设备中“软毛刷”的特性要求,便于该文件的应用。

4.2.6试样

该系列标准中试样制备的主要修改:①黄铜试板中将“试板为CuZn37或CuZn40合金”和“磷脱氧铜板符合ISO 197-1的要求”改为“铜板成分及性能应符合GB/T 2040中规定的H62黄铜、H63黄铜或磷脱氧铜的技术要求”,按照中国的技术条件,修改了铜板成分及性能的具体要求,避免因铜板成分及性能因素不确定而影响试验结果,确定成分及性能的铜板经试验后保证了试验结果的准确性及一致性;②软钎料样品中将“实心软钎料丝应符合供需双方的要求”改为“实心软钎料丝应符合GB/T 20422或GB/T 3131中的要求”,试样的性能是试验过程中重要的影响因素,按照中国的技术条件,明确和统一实心软钎料丝的成分及性能可保证试验结果的准确性;③液态试样的制备,将“可添加两倍的钎剂量”改为“可分多次添加钎剂在试件凹坑的钎料上”,通过试验验证,如果液态软钎剂中不挥发物质含量较低,即使添加两倍的钎剂量,蒸发之后也可能不能满足试验量,所以分多次添加钎剂能够满足试验量且不易造成一次添加过多的钎剂,影响试验效果。

4.2.7试验步骤

该系列标准中试验步骤的主要修改:①试件的检查中将“将白垩粉足量地撒在试件上的软钎剂残留物表面。”改为“将白垩粉均匀地撒在试件上的软钎剂钎焊残留物表面。”,更改后的表述更能准确地规定试验操作方法,保证试验效果;②将“选择3个干净的铜试件”改为“选择3个干净的预处理试件”,这步操作中使用的是经去油脂、酸洗、水洗等处理的试件,所以不是原始铜试件,必须加“预处理”予以说明指出;③删除了“附录A中的每幅图表示试件经过腐蚀后的典型示例,显示在试件凹坑中心有银/蓝色钎料和四周的钎剂残留物。这些图中的试件在特定区域都附有一幅放大视图[(图A.1 e)中附有2个放大视图]。”,标准下文中已分别详细描述了图A.1 a)～图A.1 e)的试验结果,无须赘述,为了简化标准语言而删除上述段落;④更改了“硫化工艺法表面时效”的步骤,“由供需双方协商确定。”,ISO标准附录中规定了人工硫化法制备润湿平衡试验用试件的方法,操作复杂,硫化等级难以精准控制且不易保存,按照中国的实际情况,一般使用市售经过硫化工艺法表面时效的铜试件,经试验验证符合试验要求,至于硫化等级的选择则由供需双方协商确定;⑤将“t0为试件刚刚接触钎料浴中液态钎料表面的时刻”改为“t0为试件端部刚刚与钎料浴中液态钎料表面接触的时刻”,因为试件是有一定厚度的,润湿力不仅与试件的厚度有关还与浸入钎料的深度有关,增加“端部”强调试件浸入钎料的准确时间点,避免引起歧义;⑥更改了方法A中滴定软钎剂溶液所使用的溶液,及对应的软钎剂试样质量,增加可操作性,便于标准的应用。

4.2.8试验数据处理

该系列标准中试验数据处理的主要修改:参考IPC标准更改了酸值的计算公式,因酸值的测定受钎剂中挥发物质的影响,所以酸值的公式要根据是否有挥发物质而分别定义公式,更改后提高计算的准确性,便于本文件的应用。

5 结束语

GB/T 38265软钎剂试验方法系列标准于2019～2022年陆续发布实施。作为软钎剂产品配套的检测标准,实现了对软钎剂性能的准确、定性评价,完善了软钎剂产品的质量评价体系,在实施过程中必将大幅提高中国软钎剂产品的整体质量水平,促进科技成果转化,为中国软钎焊产业的高质量发展提供重要保障。