| 标准编号 | GB/T 4937.21-2018 (GB/T4937.21-2018) | | 中文名称 | 半导体器件 机械和气候试验方法 第21部分：可焊性 | | 英文名称 | Semiconductor devices -- Mechanical and climatic test methods -- Part 21: Solderability | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | L40 | | 国际标准分类 | 31.080.01 | | 字数估计 | 18,164 | | 发布日期 | 2018-09-17 | | 实施日期 | 2019-01-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 4937.21-2018
Semiconductor devices - Mechanical and climatic test methods - Part 21: Solderability
ICS 31.080.01
L40
中华人民共和国国家标准
半导体器件 机械和气候试验方法
第21部分:可焊性
(IEC 60749-21:2011,IDT)
2018-09-17发布
2019-01-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 试验装置 1
3.1 焊料槽 1
3.2 浸润装置 1
3.3 光学设备 1
3.4 水汽老化设备 1
3.5 照明设备 2
3.6 材料 2
3.6.1 助焊剂 2
3.6.2 焊料 2
3.7 SMD再流焊设备 3
3.7.1 模板或掩膜板 3
3.7.2 橡胶滚轴或金属刮刀 3
3.7.3 试验基板 3
3.7.4 焊膏 3
3.7.5 再流设备 4
3.7.6 助焊剂清洗溶剂 4
4 程序 4
4.1 向后兼容性 4
4.2 预处理 4
4.2.1 一般要求 4
4.2.2 水汽老化预处理 4
4.2.3 高温贮存预处理 5
4.3 浸入和观察可焊性试验程序 5
4.3.1 一般要求 5
4.3.2 浸焊料条件 5
4.3.3 程序 6
4.4 模拟板级安装SMDs再流可焊性试验程序 11
4.4.1 一般要求 11
4.4.2 试验设备设置 11
4.4.3 样品准备和表面条件 13
4.4.4 目检 13
5 说明 13
图1 翼形封装被检区域 8
图2 J形引线封装被检区域 9
图3 矩形元器件的被检区域(表面安装器件) 10
图4 小外形集成电路封装(SOIC)和四边引线扁平封装(QFP)被检区域(表面安装器件) 11
图5 平顶峰形回流曲线图 12
表1 水汽老化条件 4
表2 海拔高度与水汽温度的对应关系 5
表3 浸焊料试验条件 5
表4 焊槽中杂质最大含量 7
前言
GB/T 4937《半导体器件 机械和气候试验方法》由以下部分组成:
---第1部分:总则;
---第2部分:低气压;
---第3部分:外部目检;
---第4部分:强加速稳态湿热试验(HAST);
---第5部分:稳态温湿度偏置寿命试验;
---第6部分:高温贮存;
---第7部分:内部水汽含量测试和其他残余气体分析;
---第8部分:密封;
---第9部分:标志耐久性;
---第10部分:机械冲击;
---第11部分:快速温度变化 双液槽法;
---第12部分:扫频振动;
---第13部分:盐雾;
---第14部分:引出端强度(引线牢固性);
---第15部分:通孔安装器件的耐焊接热;
---第16部分:粒子碰撞噪声检测(PIND);
---第17部分:中子辐照;
---第18部分:电离辐射(总剂量);
---第19部分:芯片剪切强度;
---第20部分:塑封表面安装器件耐潮湿和焊接热综合影响;
---第20-1部分:对潮湿和焊接热综合影响敏感的表面安装器件的操作、包装、标志和运输;
---第21部分:可焊性;
---第22部分:键合强度;
---第23部分:高温工作寿命;
---第24部分:加速耐湿 无偏置强加速应力试验(HSAT);
---第25部分:温度循环;
---第26部分:静电放电(ESD)敏感度试验 人体模型(HBM);
---第27部分:静电放电(ESD)敏感度试验 机械模型(MM);
---第28部分:静电放电(ESD)敏感度试验 带电器件模型(CDM) 器件级;
---第29部分:闩锁试验;
---第30部分:非密封表面安装器件在可靠性试验前的预处理;
---第31部分:塑封器件的易燃性(内部引起的);
---第32部分:塑封器件的易燃性(外部引起的);
---第33部分:加速耐湿 无偏置高压蒸煮;
---第34部分:功率循环;
---第35部分:塑封电子元器件的声学扫描显微镜检查;
---第36部分:恒定加速度;
---第37部分:采用加速度计的板级跌落试验方法;
---第38部分:半导体存储器件的软错误试验方法;
---第39部分:半导体元器件原材料的潮气扩散率和水溶解率测量;
---第40部分:采用张力仪的板级跌落试验方法;
---第41部分:非易失性存储器件的可靠性试验方法;
---第42部分:温度和湿度贮存;
---第43部分:集成电路(IC)可靠性鉴定方案指南;
---第44部分:半导体器件的中子束辐照单粒子效应试验方法。
本部分为GB/T 4937的第21部分。
本部分按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本部分使用翻译法等同采用IEC 60749-21:2011《半导体器件 机械和气候试验方法 第21部分:
可焊性》。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
本部分由中华人民共和国工业和信息化部提出。
本部分由全国半导体器件标准化技术委员会(SAC/TC78)归口。
本部分起草单位:中国电子科技集团公司第十三研究所、深圳市标准技术研究院。
本部分主要起草人:宋玉玺、彭浩、高瑞鑫、裴选、朱振刚。
半导体器件 机械和气候试验方法
第21部分:可焊性
1 范围
GB/T 4937的本部分规定了采用铅锡焊料或无铅焊料进行焊接的元器件封装引出端的可焊性试
验程序。
本试验方法规定了通孔、轴向和表面安装器件(SMDs)的“浸入和观察”可焊性试验程序,以及可选
的SMDs板级安装可焊性试验程序,用于模拟在元器件使用时采用的焊接过程。本试验方法也规定了
老化条件,该条件为可选。
除有关文件另有规定外,本试验属于破坏性试验。
注1:本试验方法与GB/T 2423基本一致,但由于半导体元器件的特殊要求,采用本试验方法。
注2:本试验方法未对焊接过程中可能产生的热应力影响进行评估。参见IEC 60749-15或IEC 60749-20。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
IEC 61190-1-2:2007 电子组件用连接材料 第1-2部分:电子组件高质量互连用焊料的要求(At-
IEC 61190-1-3:2007 电子组件用连接材料 第1-3部分:电子焊接用电子级钎焊合金及有焊剂和
tions)
3 试验装置
3.1 焊料槽
焊料槽深度应不小于40mm,容量应不小于300mL,能容纳至少1kg焊料。该设备应能将焊料温
度保持在规定温度值的±5℃以内。
3.2 浸润装置
应采用机械式浸润装置,该装置能控制引出端浸入和提出焊料槽的速率,以及在焊槽内的停留时间
(在规定浸润深度停留的总时间)。
3.3 光学设备
应采用可提供放大倍数为10倍~20倍的光学显微镜。
3.4 水汽老化设备
应采用足以容纳样品、耐腐蚀、带盖子的容器。样品应放置在使其底部至少高出水面40mm的位
置。样品放置应选择适宜的支撑方式,支撑样品的支架应采用无杂质污染的材料。
注:水汽老化过程中,老化装置采用合适的安装方式,能阻止水(水汽冷凝物)滴到样品表面。
3.5 照明设备
照明设备应能对样品提供均匀的、无闪光的、全散射的照明。
3.6 材料
3.6.1 助焊剂
除有关文件另有规定外,助焊剂应为标准的活性松香助焊剂(ROL1型助焊剂符合IEC 61190-1-3:
2007中表2的助焊剂类型和指定符号),应包括质量分数为(25±5)%的松香、(0.15±0.01)%的二乙胺
盐酸盐和(74.85±0.5)%的2-丙醇(异丙醇)。在(25±2)℃时,标准活性松香助焊剂的相对密度应为
0.843±0.005。
规定如下:
a) 松香:
1) 颜色:标准松香色或灰白色;
2) 酸性值(每克松香的KOH含量,以mg计):155(最小值);
3) 软化点(环球法):70℃(最小值);
4) 流点(厄布洛德):76℃(最小值);
5) 灰分:0.05%(最大值);
6) 溶解度:将松香溶解到等质量的异丙醇中,溶液应清澈,在室温下放置一周后应无沉淀物
出现。
b) 2-丙醇(异丙醇):
1) 纯度:按质量比至少为99.5%的2-丙醇(异丙醇);
2) 酸度(以乙酸计):按质量比最大为0.002%(二氧化碳除外);
3) 非挥发性成分:每100mL中最多为2mg。
3.6.2 焊料
3.6.2.1 铅锡焊料
除有关文件另有规定外,铅锡焊料的要求如下:
a) 化学组分:焊料不应包含铝、锌或镉等会影响焊料性能的杂质,各种成分的质量分数如下:
1) 锡:59%~61%;
2) 锑:最大值0.5%;
3) 铜:最大值0.1%;
4) 砷:最大值0.05%;
5) 铁:最大值0.02%;
6) 铅:剩余部分。
b) 熔化温度范围:锡含量为60%的焊料熔化温度如下:
1) 完全固态:183℃;
2) 完全液态:185℃。
3.6.2.2 无铅焊料
除有关文件另有规定外,无铅焊料的各种成分的质量分数如下:
a) 锡:95%~96.5%;
b) 银:3%~4%;
c) 铜:0.5%~1%。
3.7 SMD再流焊设备
3.7.1 模板或掩膜板
模板或掩模板具有适合于试验引出端的几何开口。除供应商和用户另有协议外,当元器件引线节
距小于0.5mm时,模板的标称厚度应为0.1mm;当元器件引线节距在0.5mm~0.65mm之间时,模
板的标称厚度应为0.15mm;当元器件引线节距大于0.65mm时,模板的标称厚度应为0.2mm。
3.7.2 橡胶滚轴或金属刮刀
模板或掩膜板上应刷上焊膏,对于窄节距的样品使用金属刮刀,对于标准节距的样品使用橡胶
滚轴。
3.7.3 试验基板
用于模拟板级安装再流焊试验的SMD样品应对采用的基板进行评价。
注1:陶瓷基板(氧化铝90%~98%)可用于所有再流焊试验。
注2:玻璃环氧树脂基板可用于所有再流焊试验。玻璃环氧树脂基板需能够承受焊接温度(如:该基板不适合热板
焊接)。
注3:为了对试验样品的引出端进行目检,试验基板需无金属化(无焊盘)。
3.7.4 焊膏
除有关文件另有规定外,焊膏成分应符合3.7.4.1和3.7.4.2的规定。
3.7.4.1 含铅焊膏
焊料成分应符合3.6.2的规定。
除有关文件另有规定外,焊锡粉的颗粒尺寸应在20μm~45μm之间。
助焊剂的成分应符合3.6.1的规定。
焊膏的黏稠度范围和测量方法应在相关文件中详细规定。
3.7.4.2 无铅焊膏
焊料成分应符合3.6.2的规定。
焊锡粉尺寸应符合IEC 61190-1-2:2007中表2中4的规定,即:
---颗粒均不大于40μm;
---大于38μm的颗粒小于1%;
---20μm~38μm之间的颗粒至少占90%;
---小于22μm的颗粒小于10%。
焊锡粉的形状应是球形的。使用的助焊剂应由质量分数为30%的聚合松香(软化点温度大约
95℃)、30%的二元酸变性松香(软化点温度大约140℃)、34.7%的二乙二醇单丁醚、0.9%的1,3-二苯
胍-HBr、0.5%的乙二酸(氯含量质量分数小于0.1%)和4%的硬化蓖麻油组成。
使用的焊膏应由质量分数为88%的焊锡粉末和12%的助焊剂组成。黏稠度范围应为(180±
5)Pa·s。
注:焊膏的贮存和保存期限(车间寿命)需符合承制方的规定。
3.7.5 再流设备
对流再流炉(首选的)或红外再流炉应能够达到所使用的焊膏的再流温度曲线图。
3.7.6 助焊剂清洗溶剂
清洗引线和引出端助焊剂的清洗溶剂应能去除可见的助焊剂残渣,并符合当地环保要求。
4 程序
4.1 向后兼容性
通常,含铅引出端采用铅锡焊料可焊性试验条件评估,而无铅引出端采用无铅焊料可焊性试验条
件。如果无铅引出端用于铅锡焊接中(向后兼容性),应采用标准铅锡SMT再流焊试验条件对其评估。
向后兼容性试验不适用于无铅的BGA封装。
4.2 预处理
4.2.1 一般要求
预处理,也叫加速老化,可焊性试验前可根据需要进行选择。
4.2.2 水汽老化预处理
4.2.2.1 水汽老化预处理条件
水汽老化预处理条件见表1。
表1 水汽老化条件
条件
暴露时间
A 1±0.5
B 4±0.5
C 8±0.5
D 16±0.5
注1:老化过程中只允许中断一次,且时间不得超过10min。
注2:预防措施:老化装置需采用适当的安装方式,避免水凝结后聚集在样品表面。
注3:除有关文件另有规定外,需使用水汽老化条件B。
注4:潮湿环境中的预处理是为了检验水汽和焊接热对表面安装半导体封装器件的影响,并不是可焊性试验标准的
一部分。见GB/T 4937.20。
注5:水汽老化预处理条件A应用于引出端表面完成镀镍钯和镍钯金的样品。
4.2.2.2 水汽老化程序
在焊接之前,样品应先经历水汽老化,将样品表面暴露在3.4规定的水汽老化设备中。样品应悬空
放置,以保证其所有部位都高出沸腾的蒸馏水或去离子水面至少40mm,在水汽中暴露的时间符合规
定要求。元器件引线平面上的水汽温度应符合表2的要求。
当水汽老化结束后,样品应从水汽老化设备中移出。
表2 海拔高度与水汽温度的对应关系
海拔高度
水汽温度
0~600 93+3-5
601~1250 91+3-5
1251~1850 89+3-5
>1850 87+3-5
4.2.2.3 系统清洁
水汽老化设备应至少每月(或使用前)进行一次排空与清洁。根据水的电阻率、外观或洁净度,可以
增加清洁频率。清洁时应采用无污染的溶剂。
4.2.2.4 干燥和贮存程序
当试验样品从水汽老化设备中移出时,可以按照下述程序之一干燥样品:
a) 在干燥环境中(推荐用干燥氮气),最高100℃烘焙不超过1h;
b) 在室温环境下的空气中干燥至少15min。
注:样品自老化设备中取出后的2h内,若不进行可焊性试验,在试验前需将其存贮在一个干燥的广口瓶或干氮箱
中,且最长不超过72h。若超过这一存贮要求,样品将不能用于试验。
4.2.3 高温贮存预处理
样品可以通过高温贮存来代替水汽老化,条件为(150±5)℃下贮存4h~16h。
4.3 浸入和观察可焊性试验程序
4.3.1 一般要求
应根据有关规范中规定的引出端数量进行试验。在操作过程中,应注意保护试验表面,避免摩擦、
油脂或汗液等造成刮擦或污染。
可焊性试验应在符合安全条例和规章的通风橱中进行。
4.3.2 浸焊料条件
可焊性浸焊料试验条件见表3。
表3 浸焊料试验条件
条 件 焊料类型
焊料温度
停留时间
A(铅锡,只限表面安装器件) 铅锡焊料 215±5 5±0.5
B(铅锡,表面安装器件和通孔器件) 铅锡焊料 235±5 5±0.5
C(无铅,表面安装器件和通孔器件) 无铅焊料 245±5 5±0.5
D(无铅,向后兼容性) 铅锡焊料 215±5 5±0.5
4.3.3 程序
4.3.3.1 一般要求
试验程序包括以下步骤:
---对引出端进行适当的预处理,如适用;
---对样品进行水汽老化或高温贮存,如适用;
---使用助焊剂,将引出端浸入熔融焊料;
---检查和评价引出端的试验部位。
4.3.3.2 引出端预处理
试验前不应对引出端进行擦拭、清洗、刮或摩擦性处理。对引出端的任何特殊处理,如试验前的弯
曲或重新定形等,应在相关文件中做出规定。如需去除多股绞合线的绝缘层,应采用适当的方式,不得
使股线松股。
4.3.3.3 老化
除有关文件另有规定外,样品应按照4.2的规定进行老化。
4.3.3.4 助焊剂的使用
4.3.3.4.1 一般要求
除有关文件另有规定外,助焊剂应符合3.6.1的规定。在室温环境下,将引出端浸入助焊剂中(使
用机械式浸焊工具),浸入深度为能够覆盖检验表面的最小深度。设计的固定装置应能避免沾到过量的
助焊剂。试验表面应浸入助焊剂中保持5s~10s,并且在浸入焊槽前在空气中干燥5s~20s。助焊剂
至少每天更换一次,当不使用时,应将其盖好。
4.3.3.4.2 表面安装器件(SMDs)
对于表面安装器件,试验的引出端应浸润助焊剂。一次试验只针对封装一侧的引出端。其他边的
引出端,应依次进行助焊剂和焊料的浸润操作。
注1:对于窄节距的样品,为避免焊料浸润时相邻引线之间的桥连,可以间隔去掉部分引线。
注2:对于大热容量的器件和镀金引出端,浸焊前允许预热。需在有关文件中规定预热时间和温度。
4.3.3.4.3 其他元器件
除有关文件另有规定外,试验时引出端应浸入至安装面或距离元器件本体1.5mm处。
4.3.3.4.4 元器件引出端与助焊剂或焊料表面的角度
元器件引出端与助焊剂或焊料表面的角度如下:
a) 含铅的通孔安装(THM):90°;
b) 含铅的表面安装(SM):20°~45°或90°;
c) 无铅的表面安装(SM):20°~45°。
4.3.3.5 浸焊
4.3.3.5.1 一般要求
试验前应将助焊剂的渣滓和燃烧物从熔融焊料表面撇去,焊料应符合3.6.2的规定。熔融焊料应
保持在某一规定的温度。在引出端浸入焊料之前,应再次撇净焊料表面杂质。样品应固定在浸润装置
上(见3.2),并把覆盖了助焊剂的引出端浸入熔融焊料中一次,浸入深度与4.3.3.4.1规定的深度一致。
除有关文件另有规定外,浸入和提出速率应为(25±5)mm/s,在焊槽中的停留时间应为(10.0±0.5)s
或(5.0±0.5)s(见表3)。浸焊结束后,样品在空气中冷却。引出端上残留的助焊剂应使用异丙醇或无
氟氯化碳溶剂清洗。必要时,可用浸渍了纯净的异丙醇或助焊剂清洗溶剂的软布或棉签擦掉所有残留
的助焊剂。
4.3.3.5.2 镀金引出端的浸焊
当有规定时,镀金引出端应进行两次加助焊剂和浸焊料处理。第一次浸入是为了净化引出端上
的金。
4.3.3.5.3 焊槽污染物控制
焊槽中试验焊料应经化学或光谱分析,或使用30d更换一次。锡含量和杂质含量应在表4规定的
范围内。
表4 焊槽中杂质最大含量
杂 质
杂质质量分数极限值/%
铅锡焊料 无铅焊料
铜 0.300 按规定
金 0.200 0.200
镉 0.005 0.005
锌 0.005 0.005
铝 0.006 0.006
锑 0.500 0.500
铁 0.020 0.020
砷 0.030 0.030
铋 0.250 0.250
银 0.100 按规定
镍 0.010 0.010
铅 按规定 0.100
注1:对铅锡焊料,焊槽中杂质总含量保持在1%以内,铜/金杂质的检测频率与锡含量的检测频率相同。该表中
的各种杂质和铅含量在焊槽中保持平衡。
注2:对铅锡焊料,铜、金、镉、锌和铝的含量之和不超过0.4%。
注3:工作日8h内或其他工作时间,焊料使用状态是液态。
注4:这些限制只针对3.6.2规定的合金,对于其他合金的限制需相应修改。
4.3.3.6 检查和失效判据
4.3.3.6.1 一般要求
对引出端表面进行目检前,应清除所有助焊剂。
4.3.3.6.2 检查放大倍数
在10倍~20倍显微镜下对所有元器件进行检查。
4.3.3.6.3 焊料覆盖
每个引出端的被检表面应有至少95%以上的区域被焊料覆盖。
4.3.3.6.4 针孔、空洞、孔隙、未浸润或脱浸润
针孔、空洞、孔隙、未浸润或脱浸润不超过总检验面积的5%。任何两个在设计中并未要求相连的
引出端或金属化区域之间,不应存在焊料桥连。在由焊料浸渍引起桥连的情况下,若局部加热(如气体、
烙铁或再浸润)后在显微镜下观察到在这些端部之间的绝缘区上焊料收缩和不浸润,则该桥连可以
接收。
注:按4.3.3.4.1的规定,需检查试验的整个表面区域(包括矩形横截面的所有表面)。存在争议时,针孔或空洞覆盖
的百分比根据实际测得的面积与总面积相比较来确定。
4.3.3.6.5 被检区域的定义
不同封装器件的被检区域示例见图1~图4,定义如下:
a) 翼形封装:对于翼形封装,被检区域界定为引出端的所有表面或不包括翼形引出端上方的表面
(见图1)。通常不包括引出端端头无镀层区域(修剪区域)。
b) J形引线封装:对于J形引线封装,被检区域为从引出端肩部到引出端过渡的狭窄区域的下方
(见图2)。只包含三个可见表面。不包括引出端的末端 。
c) 双列直插封装:对于双列直插封装,被检区域为从引出端末端到安装面以上0.5mm 的机
翼处。
d) 其他封装:对于除a)、b)、c)描述的其他封装,被检区域为从距离本体1.5mm处延伸到引线
末端或距离本体25mm处。
a) 视图1
图1 翼形封装被检区域
b) 视图2
注:被检区域=A表面(引线下表面)到1×T 处和B表面。
图1(续)
a) 视图1
图2 J形引线封装被检区域
b) 视图2
注:被检区域=A表面(到2×T 处)和B表......
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