環(huán)境試驗(yàn) 第2-82部分 測試方法 xw1：電子電器元器件晶須測試方法 編制說明

《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》編制說明1、任務(wù)來源本文件的制定是根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會文件《國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會關(guān)于下達(dá)2023年第三批推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外文版計(jì)劃的通知》（國標(biāo)委發(fā)〔2023〕58號）要求進(jìn)行，由工業(yè)和信息化部電子第五研究所、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、中興通訊股份有限公司、廣州興森快捷電路科技有限公司、中國工程物理研究院、惠州市德賽西威汽車電子股份有限公司、北京七星華創(chuàng)微電子有限責(zé)任公司、珠海松柏科技有限公司、深圳億鋮達(dá)新材料有限公司、江蘇展芯半導(dǎo)體技術(shù)股份有限公司、佛山市承安集團(tuán)股份有限公司、寧德時代新能源科技股份有限公司共同承擔(dān)《環(huán)境試驗(yàn)第2-82部分測試方法xw1：電子電器元器件晶須測試方法》的編制，項(xiàng)目計(jì)劃編號為20230978-T-339，計(jì)劃下達(dá)日期為2023-12-01，項(xiàng)目周期為18個月，應(yīng)報批日期為2025-06-01。2、主要工作過程2.1資料收集、初期調(diào)研、標(biāo)準(zhǔn)起草在電子系統(tǒng)中，錫或錫合金表面會受到晶體結(jié)構(gòu)自然生長-“晶須”的影響，晶須的生長會造成參數(shù)偏差、短路、燒毀等各種電氣故障，故需要標(biāo)準(zhǔn)化測試方法來幫助更快評估和研發(fā)錫基產(chǎn)品?？紤]到電子組件用元器件和零件的錫或錫合金表面的晶須檢測方法目前在國內(nèi)尚無行業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目計(jì)劃下達(dá)要求修改采用IEC60068-2-82（Edition2.02019-05）《Environmentaltesting–Part2-82:Tests–TestXw1:Whiskertestmethodsforcomponentsandpartsusedinelectronicassemblies》標(biāo)準(zhǔn)，故編制組依據(jù)IEC60068-2-82標(biāo)準(zhǔn)于2023年12月編譯形成了《環(huán)境試驗(yàn)第2-82部分測試方法xw1：電子電器元器件晶須測試方法》國家標(biāo)準(zhǔn)草案，于2024年1月30日編制組全體成員共12家單位參加了在珠海召開的國家標(biāo)準(zhǔn)草案研討會，經(jīng)編制組內(nèi)部討論，提出了以下主要意見：1）標(biāo)準(zhǔn)的格式需依據(jù)GB/T1.1標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行修改；2）標(biāo)準(zhǔn)名稱建議修改，不采用系列標(biāo)準(zhǔn)的名稱，名稱修改為《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》；3）標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容中“錫須”和“晶須”名稱統(tǒng)一；4）正文頁碼需調(diào)整更改；1、編制原則5）部分翻譯表達(dá)需要進(jìn)一步完善優(yōu)化；6）附錄編寫格式需要調(diào)整。研討會后，編制組對標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容做了重要或較大的修改，在2024年01月29日更新了內(nèi)部討論稿。并且根據(jù)會上具體分工，各編制組成員對修改后的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行審查，并在2024年04月01日更新形成征求意見稿。3、標(biāo)準(zhǔn)編制的主要成員單位及其所做的工作接到此項(xiàng)任務(wù)后，組建了由工業(yè)和信息化部電子第五研究所、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、中興通訊股份有限公司、廣州興森快捷電路科技有限公司、中國工程物理研究院、惠州市德賽西威汽車電子股份有限公司、北京七星華創(chuàng)微電子有限責(zé)任公司、珠海松柏科技有限公司、深圳億鋮達(dá)新材料有限公司、江蘇展芯半導(dǎo)體技術(shù)股份有限公司、佛山市承安集團(tuán)股份有限公司、寧德時代新能源科技股份有限公司組成的標(biāo)準(zhǔn)起草工作組。標(biāo)準(zhǔn)編制的主要成員單位及其分工見表1。123456789標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的條款應(yīng)明確而無歧義，且具有其適用范圍所規(guī)定的內(nèi)容，滿足任務(wù)書規(guī)定的要求；標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容協(xié)調(diào)、簡明、清楚、準(zhǔn)確、邏輯性強(qiáng)，具有實(shí)用性和可操作性，且充分考慮封裝基板最新技術(shù)水平并為未來技術(shù)發(fā)展提供框架；標(biāo)準(zhǔn)編制與已發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)一致。標(biāo)準(zhǔn)編制結(jié)構(gòu)要求、編排順序、層次劃分、表述規(guī)則和編制格式遵循GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》和GB/T20001.10-2014《標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)則第10部分：產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)》中相應(yīng)條款規(guī)定。2、確定主要內(nèi)容的依據(jù)2.1、本文件的編制修改采用IEC60068-2-82:2019(第二版)《環(huán)境試驗(yàn)-第2-82部分：試驗(yàn)-試驗(yàn)Xw1：電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》，對IEC60068-2-82（Edition2.02019-05）《Environmentaltesting–Part2-82:Tests–TestXw1:Whiskertestmethodsforcomponentsandpartsusedinelectronicassemblies》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行翻譯并形成《環(huán)境試驗(yàn)第2-82部分測試方法xw1：電子電器元器件晶須測試方法》標(biāo)準(zhǔn)草案，名稱經(jīng)討論改為《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》，文件規(guī)定了對電氣或電子元器件以及機(jī)械零件例如代表成品階段的沖壓/壓印零件(例如，跳線、靜電放電保護(hù)罩、機(jī)械固定件、壓接針和電子元器件中使用的其他機(jī)械零件）的錫或錫合金表面處理的晶須試驗(yàn)的規(guī)定。2.2、本文件的編制主要依據(jù)修改采用IEC60068-2-82:2019，并參考了GB/T2421-2020和GB/T2423.22-2012相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。3、解決的主要問題電子行業(yè)內(nèi)在對錫或錫合金表面晶須觀察時并無國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)可依，本文件統(tǒng)一了晶須的檢測標(biāo)準(zhǔn)，增加其在國內(nèi)的可操作性。本文件修改采用IEC60068-2-82:2019標(biāo)準(zhǔn)，將其編譯成中文版本的國家標(biāo)準(zhǔn)，提供了顧客和供應(yīng)商關(guān)于電子系統(tǒng)控制晶須風(fēng)險的溝通和協(xié)商框架，重點(diǎn)講述晶須的試驗(yàn)方法，并對晶須進(jìn)行定量評估，為晶須的鑒定提供統(tǒng)一協(xié)議。文件主要包括范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語和定義、縮略語（新增項(xiàng)）、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)條件、監(jiān)測和技術(shù)相似性、試驗(yàn)和評估、技術(shù)或制造工藝的變更、報告內(nèi)容、附錄。三、主要試驗(yàn)[或驗(yàn)證]情況分析[盡可能采用驗(yàn)證數(shù)據(jù)的綜合分析，或采用行業(yè)領(lǐng)域調(diào)研后的綜述分析]1.常溫存儲根據(jù)本文件《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》7.2中的試驗(yàn)條件要求，將試樣放置在25℃,50%RH條件下4000h，如下表2，存儲完成后依據(jù)文件中附錄A的試驗(yàn)方法，在SEM下觀察器件表面晶須生長狀況，如圖1所示，試樣在常溫存儲4000h后，未見有明顯晶須生長。2.濕熱試驗(yàn)根據(jù)本文件《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》7.3中濕熱試驗(yàn)條件要求，考察器件樣品在不同溫度和濕熱條件下，其鍍錫表面晶須生長狀況，樣品1在55℃,85%RH的條件下放置4000h，樣品2在35℃,87%RH的條件下放置4000h，樣品3在55℃,87%RH的條件下放置4000h。濕熱試驗(yàn)完成后首先在體視顯微鏡下對鍍層表面進(jìn)行觀察，對于有明顯晶須生長可以觀察的到，如圖2所示。依據(jù)文件中附錄A的方法采用SEM對表面晶須進(jìn)行觀察和測量，從圖3中可以看到，在不同條件下各樣品表現(xiàn)出不同的晶須生長趨勢，晶須有長有短，且呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，有柱狀晶須、螺旋晶須、絲狀晶須等。圖2代表性晶須觀察體視圖柱狀晶須螺旋晶須螺旋晶須為了研究不同鍍層厚度對晶須生長的影響，將不同樣品鍍上不同厚度的錫并進(jìn)行晶須生長試驗(yàn)，觀察晶須生長情況。器件的鍍層厚度約為12μm，引線框架鍍層厚度約為5μm。框架晶須框架器件框架(c)器件框架(c)鍍層厚度12μm圖4所示為在75℃/87%RH濕熱條件下不同鍍層厚度樣品的晶須生長形貌?？梢姡儗訛?2μm的樣品晶須生長不明顯，而鍍層為5μm的樣品均有晶須長出。將不同樣品的晶須生長進(jìn)行SEM觀察，測量其生長尺寸結(jié)果如圖5所示，可以看出隨著試驗(yàn)時間的推移，晶須生長均呈增長趨勢。為研究器件引腳樣品經(jīng)歷不同濕熱時間后其晶須生長狀況，依據(jù)本文件《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》7.3中表4濕熱試驗(yàn)條件要求進(jìn)行穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)(條件為：溫度55℃,濕度85%RH)。如下表3為樣品在不同穩(wěn)態(tài)濕熱時長后，依據(jù)附錄A中測試方法要求，對引腳鍍錫層表面晶須尺寸測量結(jié)果。1234567890000000000000000001234567890000000000000000001234567893.溫度循環(huán)試驗(yàn)根據(jù)本文件《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》7.4中溫度循環(huán)試驗(yàn)條件要求，對器件樣品進(jìn)行試驗(yàn)，溫度循環(huán)試驗(yàn)條件見下表4。溫循試驗(yàn)完成后，依據(jù)文件中附錄A在SEM下對樣品進(jìn)行觀察和測量，從圖6中可見各樣品在溫度循環(huán)條件下試樣表面長出了晶須，且表面出現(xiàn)了裂紋，晶須均從表面裂紋處長出。-40℃~70℃;高低溫保持時間10min；約3個-40℃~85℃;高低溫保持時間10min；約3個循環(huán)每小時-40℃~70℃溫循-40℃~85℃溫循條件下不同器件晶須從表面裂紋處生長為研究器件引腳樣品經(jīng)歷不同溫度循環(huán)數(shù)后其晶須生長狀況，依據(jù)本文件《電子組件用元器件和零件的晶須試驗(yàn)方法》7.4溫循試驗(yàn)條件(條件為：溫度-55℃,濕度85%RH)要求進(jìn)行試驗(yàn)。如下表5為樣品經(jīng)歷相同溫濕度但不同循環(huán)數(shù)后，依據(jù)本文件附錄A中測試方法要求，對器件鍍錫層表面晶須尺寸測量結(jié)果。1234567891234567893.綜合分析結(jié)合以上檢測結(jié)果，體視顯微鏡下對于較明顯的晶須生長能觀察的到，但是對于晶須具體形貌以及微小晶須就不能詳細(xì)觀察到。采用SEM成像，不僅能測量晶須的長度，也能觀察到晶須的晶格形貌以及具體生長狀況。濕熱試驗(yàn)結(jié)果：圖3中可以得知在不同條件下各樣品表現(xiàn)出不同的晶須生長趨勢，晶須有長有短，且呈現(xiàn)出不同的形態(tài)；表3中可以看出，晶須在1000h和2000h均未見明顯生長，而在濕熱4000h后出現(xiàn)增長現(xiàn)象；圖5中可以看出不同厚度的鍍層晶須的生長狀態(tài)也不一致，隨著錫層厚度的增加，錫須生長長度減小，錫層厚度大的器件錫須生長速度也較慢。溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果：圖6中可以看出鍍層表面裂紋有助于晶須的生長；表5中可以看出，隨著溫度循環(huán)數(shù)的增加，晶須趨于增長態(tài)勢。綜上所述，晶須的生長與其所處周圍環(huán)境溫度、濕度、時間等均有密切關(guān)系，而對于晶須的觀察和測量更需要在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下的設(shè)備及方法才能得到科學(xué)直觀的研究數(shù)據(jù)。本文件不涉及專利和知識產(chǎn)權(quán)問題。歐盟限制在電子電氣設(shè)備中使用有害物質(zhì)法規(guī)（ROHS）已經(jīng)實(shí)施，禁止使用有害物質(zhì)中包括鉛，成為電子行業(yè)最沉重負(fù)擔(dān)，迫使電子系統(tǒng)中諸多工藝、材料、元件、印制電路板和設(shè)備均需改變。傳統(tǒng)能夠抑制晶須生長的鉛（Pb）由于無鉛化發(fā)展要求而逐步被Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Cu等焊料替代。在二十世紀(jì)中期，電子工業(yè)已經(jīng)開始使用純錫鍍層，由晶須導(dǎo)致的電氣故障案例中包括衛(wèi)生、導(dǎo)彈、航天飛行器等在內(nèi)的多起重大安全事故，消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，據(jù)NASA統(tǒng)計(jì)，全球每年由于晶須生長造成的失效而產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)十億美元。晶須是從固體表面自發(fā)生長出來，也稱“固有晶須”。常見是在錫、鎘、鋅、銻、銦等金屬上生長。一般來講，晶須現(xiàn)象易出現(xiàn)在低熔點(diǎn)、延展性良好的材料上。錫的晶須簡稱晶須，是一種單晶體結(jié)構(gòu)且導(dǎo)電。其種類包括：直線型晶須、彎曲型晶須、扭結(jié)型晶須、從小丘上長出的晶須，如圖7所示。直線型晶須彎曲型晶須扭結(jié)型晶須從小丘上長出的晶須圖7各類晶須代表性圖晶須生長速率一般為0.03~0.9mm/年，在一定條件下，生長速率可能增加100倍或100倍以上。其生長主要由電鍍層上開始，具有較長潛伏期，內(nèi)部應(yīng)力、外部機(jī)械應(yīng)力、晶格結(jié)構(gòu)、鍍層類型和厚度、基體材料、溫度和濕度是影響晶須生長的因素。如圖8所示為晶須生長機(jī)理。壓應(yīng)力為晶須生長的驅(qū)動力，應(yīng)力來源如電鍍化學(xué)過程、鍍錫層與基體材料的熱膨脹系數(shù)不一致、基體材料向錫鍍層的擴(kuò)散、外部機(jī)械應(yīng)力、金屬間化合物、環(huán)境應(yīng)力、錫的表面氧化物等。圖8晶須生長機(jī)理圖示本文件的制訂有利于指導(dǎo)電氣組件用元器件和零件錫或錫合金表面晶須研究、生產(chǎn)的內(nèi)部質(zhì)量管控，用以記錄其確保組裝件性能、可靠性、安全性以及認(rèn)證可靠性的過程，最終用戶統(tǒng)一產(chǎn)品的質(zhì)量要求和檢驗(yàn)方法等。有利于保障產(chǎn)品質(zhì)量、推