"ГОСТ Р МЭК 60068-2-54-2017. Национальный стандарт Российской Федерации. Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-54. Испытания. Испытание Ta: Испытание на паяемость электронных компонентов методом баланса смачивания"
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 23.03.2017 N 177-ст)

1 ПОДГОТОВЛЕН Открытым акционерным обществом "Авангард" (ОАО "Авангард") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4, который выполнен российской комиссией экспертов МЭК/ТК 91

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 420 "Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 23 марта 2017 г. N 177-ст

4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту МЭК 60068-2-54(2006) "Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-54: Испытания. Испытание Ta: Испытание на паяемость электронных компонентов методом баланса смачивания" (IEC 60068-2-54:2006 "Environmental testing - Part 2-54: Tests - Test Ta: Solderability testing of electronic components by the wetting balance method", IDT).

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им межгосударственные и национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Настоящий стандарт описывает определение паяемости компонентов с различными покрытиями методом баланса смачивания с использованием ванны расплавленного припоя. Определение паяемости компонентов методом баланса смачивания применим для любого типа покрытия и компонентов. Он особенно подходит для оценочного испытания и для компонентов, которые не могут быть количественно испытаны другими методами. Если это возможно, следует применять МЭК 60068-2-69 для поверхностно монтируемых изделий.

Настоящий стандарт предоставляет стандартные методы для свинцовых и бессвинцовых припоев.

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие международные стандарты. Для датированных ссылок применяют только указанное издание ссылочного стандарта. Для недатированных ссылок применяют последнее издание ссылочного стандарта (включая все его изменения).

IEC 60068-1:1988, Environmental testing - Part 1: General and guidance. (Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 1. Общие положения и руководство)

В настоящем стандарте применимы термины по МЭК 60068-1 и МЭК 60068-2-20.

Образец подвешивают на чувствительный механический балансир (типичную пружинную систему) и погружают перпендикулярно на заданную глубину в ванну с расплавленным припоем, температуру которого контролируют. Результирующий вектор вертикальных сил баланса и поверхностного натяжения, действующих на погруженный образец, определяют с помощью датчика и преобразуют в сигнал, который непрерывно регистрируется как функция времени на регистраторе с высокой скоростью. Полученную кривую необходимо сравнивать с кривой, полученной от идеально смоченного образца такого же типа и размеров.

Применяют два метода испытаний:

- стационарный метод, предназначенный для изучения паяемости определенного участка на образце. Указанный метод стандартизован в настоящем стандарте;

- сканирующий метод или метод развертки, предназначенный для изучения паяемости поверхности образца.

Блок-схема для проведения испытания показана на рисунке 1.

Допускаются и другие системы, способные измерять вертикальные силы, действующие на образец, если они обладают характеристиками, указанными в приложении A.

Размеры паяльной ванны должны соответствовать требованиям A.7 (приложение A). Материал ванны и контейнер под пайку должны быть стойкими к воздействию жидкого припоя.

Следует соблюдать меры предосторожности, чтобы воспрепятствовать загрязнению поверхности испытуемого образца, в частности, пальцами рук при его подготовке. Если предусмотрено в соответствующей НД, образец может быть очищен путем погружения в нейтральный органический растворитель при комнатной температуре. Другие способы очистки не допускаются.

Ускоренное старение, если требуется, следует проводить в соответствии с МЭК 60068-2-20 (подраздел 4.5).

Состав припоя должен быть указан в технических требованиях.

Состав припоя должен быть либо 60% по массе олова (Sn) и 40% по массе свинца (Pb) согласно МЭК 60068-2-20 (приложению B) (Sn60Pb40A в соответствии с МЭК 61190-1-3) или 63% олова (Sn) и 37% по массе свинца (Pb) (Sn63Pb37A, в соответствии с МЭК 61190-1-3).

Если иное не указано в соответствующем описании, состав припоя должен быть либо 3,0% по массе серебра (Ag), 0,5% по массе меди (Cu), а остальная часть - олово (Sn) (Sn96,5Ag3,0Cu0,5), или 0,7% по массе меди (Cu), а остальная часть - олово (Sn), Sn99,3Cu0,7, является предпочтительным.

Примечание - Припои, имеющие в своем составе от 3,0% до 4,0% серебра по массе и от 0,5% до 1,0% меди по массе, а остальная часть - олово (Sn), допускается использовать вместо Sn96,5Ag3,0Cu0,5. Припои, которые состоят из 0,45% - 0,9% по массе из меди (Cu) и остальной части из олова (Sn), допускается использовать вместо Sn99,3Cu0,7.

Флюс для испытания должен быть либо на основе канифоли без активатора, либо на основе канифоли с активатором:

a) на основе канифоли без активатора: состоит из 25% канифоли по массе и 75% 2-пропанола по массе (изопропиловый спирт или этиловый спирт [как указано в МЭК 60068-2-20 (приложение C)];

b) на основе канифоли с активатором: с добавлением либо диэтиламмониум хлорида (ЧДА) 0,5% по массе, либо другого хлорида (в пересчете на свободный хлор на содержание канифоли) до 0,2% или 0,5% по массе.

Информация об используемом типе флюса должна быть приведена в технических требованиях.

Температура припоя в паяльной ванне во время испытания должна быть (235 +/- 3) °C.

Если иное не определено техническими требованиями, температура припоя в паяльной ванне во время испытания должна быть (245 +/- 3) °C для припоя Sn96,5Ag3,0Cu0,5 и (250 +/- 3) °C для припоя Sn99,3Cu0,7 соответственно.

После монтажа образца на подходящий держатель часть испытуемой поверхности должна быть погружена во флюс при комнатной температуре. Избыток флюса должен быть незамедлительно снят путем постановки образца вертикально на чистящую фильтрующую бумагу на время от 1 до 5 с.

Температура припоя до начала испытания должна быть, как описано в 8.1. Образец затем вертикально подвешивают за нижнюю грань на высоте (20 +/- 5) мм над паяльной ванной на (30 +/- 15) с для того, чтобы позволить испариться большей части растворителя флюса перед началом испытания. В течение периода сушки подвеска и регистратор должны быть отрегулированы на нулевую (начальную) позицию, и непосредственно перед началом испытания, поверхность паяльной ванны должна быть очищена лезвием из соответствующего материала, чтобы убрать оксиды.

Образец погружают в расплавленный припой со скоростью от (5 +/- 1) мм/с до (20 +/- 1) мм/с на установленную глубину на заданное время и затем его извлекают. Соответствующая часть графика зависимости силы от времени получается, когда образец удерживается стационарно в погруженной позиции.

Примечание - Образец должен быть погружен на требуемую глубину не медленнее, чем за 0,2 с.

Запись должна начинаться непосредственно перед погружением в расплавленный припой и в течение всего испытания.

Кривая может быть записана в двух формах, единственная разница будет в полярности чтения силы.

На рисунке 2 силы, действующие вверх (не смачивание) показаны как отрицательные, а силы, действующие вниз (смачивание) как положительные. Обычно сила в точке E эквивалентна силе в точке D, что означает стабильные условия смачивания. Если сила в точке E меньше, чем в точке D, значит происходит некоторая нестабильность смачивания (см. B.6.1.3).

9.2.1 Время t₀ - это время, к которому поверхность припоя и образец впервые войдут в контакт, как показано на графике от нулевой линии силы.

9.2.2 В точке A мениск припоя начинает расти по обкладкам компонента. Это обычно характеризуется значительным увеличением силы смачивания.

9.2.3 В точке B контактный угол - 90°. Измеренная сила показывает влияние плавучести компонента.

9.2.4 В точке C сила смачивания достигает 2/3 максимального значения результирующей силы смачивания.

9.2.5 В точке D достигается максимальное значение результирующей силы смачивания в течение заданного времени погружения.

9.2.6 Точка E - точка конца заданного периода погружения. Точки D и E могут иметь одинаковое значение силы смачивания на том же образце (см. B.6.1.3).

9.2.7 Интерпретация кривой, сформированной во время извлечения образца, не рассматривается в стационарном режиме.

Для того чтобы получить опорную силу смачивания, с которой будут сравнивать экспериментальные результаты, должна быть проведена следующая процедура для каждого компонента, который будет участвовать в испытаниях.

Образец берут из пробы, подлежащей проверке, и предварительно облуживается в оптимальных условиях, используя флюс с активатором согласно 7.2. Эта процедура может быть проделана, используя баланс смачивания, при тех же условиях, что и предстоящее испытание на смачивание. Процедура предварительного облуживания должна быть повторена на том же образце, пока максимальный показатель силы не перестанет увеличиваться. Эта сила и будет опорной силой смачивания. Для того чтобы исследовать общую пригодность для пайки определенного материала, опорная сила должна быть сравнена с теоретической силой смачивания, полученной из оценки подходящей константы поверхностного натяжения и плотности припоя, вместе с предположением об "идеальной" смачиваемости.

Теоретическую силу смачивания F, мН, вычисляют по формуле

где g - ускорение свободного падения;

- плотность припоя, г/мм³;

- поверхностная константа материала;

v - объем погруженной части образца, мм³;

P - периметр погруженной части образца, мм.

Примечание - Формула подходит, только если поперечное сечение образца, находящееся в непосредственной близости от мениска, постоянно по всей длине образца. Константы применимы только к условиям, описанным в испытании. Они зависят от припоя, температуры и флюса (см. B.6.2).

Требования к испытанию на паяемость должны быть выражены с применением следующих параметров:

- начало смачивания: максимальное значение временного интервала (t₀ - B);

- для хода смачивания: максимальное значение временного интервала (t₀ - C);

- для стабильности смачивания: минимальное значение дроби: .

Все оборудование, включая регистратор, считают единым узлом оборудования, имеющим следующие характеристики.

A.1 Время срабатывания записывающего устройства самописца должно быть таким, чтобы возвращение к 0 при снятии максимальной нагрузки осуществлялось в течение 0,3 с с отклонением не более 1% соответствующего максимального значения.

A.2 Система измерительных приборов должна иметь ряд настроек чувствительности. В зоне наибольшей чувствительности максимальное отклонение от центра следует достигать путем подвешивания гирьки массой, не превышающей 200 мг, к держателю образца.

A.3 Скорость движения ленты должна быть не менее 10 мм/с.

A.4 Электрические и механические помехи, регистрируемые на кривой, не должны превышать 0,04 мН.

A.5 Отклонение записывающего устройства должно быть прямо пропорционально силе, измеряемой по всей шкале, с точностью более 95%.

A.6 Жесткость пружины механического балансира должна быть такой, чтобы нагрузка 10 мН вызывала вертикальное смещение подвеса образца не более чем на 0,1 мм.

A.7 Размеры паяльной ванны должны быть такими, чтобы любая часть образца находилась не менее чем в 15 мм от стенки, а глубина ванны должна быть не менее 15 мм.

A.8 Температура ванны должна быть (235 +/- 3) °C.

A.9 Глубину погружения самой нижней точки образца следует регулировать в установленном диапазоне 2 - 5 мм с допустимым отклонением +/- 0,2 мм.

A.10 Скорость погружения и извлечения при стационарном методе должна быть (20 +/- 5) мм/с.

A.11 Время выдержки образца на максимальной глубине погружения должно регулироваться в пределах от 0 до 10 с.

Метод баланса смачивания позволяет измерять вертикальные силы, действующие на образец, в зависимости от времени, при погружении его в ванну с расплавленным припоем. Способность образца к смачиванию определяется такими показателями, как время, необходимое для достижения данной степени смачивания, или как степень смачивания, достигнутая за указанное время.

При испытании на смачиваемость может быть указано, чтобы несколько точек на кривой "сила - время" соответствовали определенным значениям. Настоящее руководство предлагает точки и значения, которые могут быть использованы.

Для получения воспроизводимых и количественных результатов испытательная аппаратура должна отвечать определенным требованиям; требования и методы проверки, подтверждающие соответствие этим требованиям, также приводятся в настоящем стандарте.

Образец может быть любой формы, но для упрощения расшифровки кривой и расчета значений силы предпочтительно, чтобы погружаемая часть образца имела однородное поперечное сечение. Для уменьшения ошибок при расчете образец следует погружать так, чтобы угол отклонения испытуемых поверхностей от вертикали не превышал +/- 15", если погружаемый конец требуется укоротить, то он должен быть отрезан под прямым углом к вертикальной оси и не должен иметь заусенцев.

Испытание может быть применено к таким образцам, как конденсаторы - чипы или печатные платы, имеющие большие не смачиваемые припоем поверхности. Однако такие поверхности могут вызывать искажение кривой "сила - время". Поэтому настоящий стандарт предназначен для использования метода при испытании выводов компонентов, которые должны смачиваться припоем по всему периметру поперечного сечения.

При нанесении флюса на образцы и их высушивании используют стандартную методику, чтобы характер кривой не менялся под воздействием таких факторов, как испарение растворителя или стекание флюса во время испытания.

Во время испытательного цикла сила, действующая на образец, меняет направление в момент, когда несмачивание сменяется смачиванием. В некоторых случаях выталкивающая сила может вызывать значительное вертикальное смещение кривой смачивания. Следовательно, чтобы записать всю кривую смачивания с наиболее возможной чувствительностью, необходимо пользоваться самописцем, ноль которого находится либо в центре ленты, либо смещен до такого уровня, при котором вся кривая записывается на ленте.

B.4.1.2 Время срабатывания [см. приложение A]

Время срабатывания должно быть достаточно мало, чтобы записывающее устройство точно воспроизводило быстрые изменения силы смачивания, которые имеют место, особенно в начале смачивания. Хотя теоретически время срабатывания должно быть бесконечно мало, практически максимальное время срабатывания 0,3 с оказалось удовлетворительным. Таким образом, регистратор может быть использован в качестве записывающего устройства.

Для проверки времени срабатывания самописца и стабильности положения 0 используют следующую методику. Для ее осуществления необходимы гирька (масса которой должна быть достаточна, чтобы перо самописца максимально отклонялось от нулевой точки) и соответствующей формы держатель.

Методика:

- установить держатель; регистратор настроить на 0;

- привести в движение с максимальной скоростью ленту самописца;

- поместить гирьку в держатель образца;

- через 2 или 3 с снять гирьку, при этом лента продолжает двигаться; через 2 или 3 с вновь поместить гирьку в держатель;

- повторить эту операцию, по крайней мере, 5, 6 раз и отключить движение ленты.

Кривая, полученная на ленте, покажет чувствительность самописца для выбранных настроек, время, необходимое для срабатывания пера, и постоянство возврата к нулевому положению.

B.4.1.3 Настройка чувствительности [см. A.2 (приложение A)]

Обеспечение диапазона настроек чувствительности позволяет испытывать образцы различных размеров. Это достигается с помощью самописца, имеющего диапазон настроек усилителя. Если настройки усилителя позволяют представить полную шкалу сил значением от 20 до 1 мН (соответствующих присоединительным массам 2 г и 100 мг), можно испытывать образцы периметром от 20 до 1 мм.

B.4.1.4 Скорость движения ленты [см. A.3 (приложение A)]

Для удовлетворительного распознавания основных точек на кривой "сила - время" минимальная скорость движения ленты должна быть 10 мм/с.

B.4.2.1 Жесткость пружины [см. A.6 (приложение A)]

Система уравновешивания измеряет смещение (обычно) пружинного устройства, вызываемое силой, действующей на образец. Такое смещение приводит к изменению глубины погружения образца в припой и, следовательно, к изменению выталкивающей силы. Необходимо, чтобы пружинная система была достаточно жесткой для того, чтобы ее отклонение, а следовательно, и изменение выталкивающей силы в процессе испытания были ничтожно малы по сравнению с другими измеряемыми силами.

B.4.2.2 Уровень помех [см. A.4 (приложение A)]

Уровень электрических и механических помех в системе уравновешивания и усилителя не должен превышать 10% уровня сигнала в наиболее чувствительном испытательном диапазоне.

B.4.3 Паяльная ванна [см. A.7 (приложение A)]

Ванна должна иметь достаточную тепловую массу для обеспечения поддержания температуры испытания с требуемой точностью. Образец должен находиться на достаточном расстоянии от стенок ванны, чтобы кривизна поверхности припоя у стенок ванны не влияла на силы, действующие на образец. Для повышения избирательности данного испытания температура припоев указана в 8.1.

Некоторые покрытия очень быстро растворяются в припое во время испытания. Примеси накапливаются, изменяя состав и свойства припоя. Поэтому, настоятельно рекомендуется периодически проверять состав припоя в паяльной ванне для получения достоверных результатов.

B.4.4.1 Глубина погружения [см. A.9 (приложение A)]

Глубина, на которую погружается образец в расплавленный припой (состав которого должен быть указан), должна отвечать следующим условиям:

a) в процессе смачивания поднимающийся мениск припоя перемещают по испытуемой поверхности образца. При необходимости образец укорачивают для того, чтобы поддерживать зазор между концом образца и дном паяльной ванны;

b) смещение (мениска) должно осуществляться преимущественно вдоль участка с однородным поперечным сечением;

c) глубина погружения должна воспроизводиться с точностью +/- 0,2 мм, чтобы поправка на выталкивающую силу (которая обычно мала) находилась в пределах +/- 10% в худшем случае.

Примечание - Чем больше глубина погружения, тем больше выталкивающая сила смещает уровень нулевой силы от центрального нуля, при этом конечный сигнал будет оставаться выше первоначальной точки баланса даже при идеальном смачивании.

Чем больше глубина погружения, тем больше площадь передачи тепла от припоя к образцу, следовательно, тем меньше теплообмен замедляет процесс смачивания.

B.4.4.2 Скорость погружения [см. A.10 (приложение A)]

Установлено, что для стандартизованного метода испытания подходящей является скорость 16 - 25 мм/с. Более высокая скорость приводит к образованию ударных волн в паяльной ванне (что влияет на измерение силы), а при более низкой скорости припой в ванне продолжает движение во время начального периода подъема мениска.

B.4.4.3 Продолжительность погружения [см. A.11 (приложение A)]

Образцы, процесс пайки которых длится более 10 с, как правило, бракуют. Время выдержки менее 10 с не позволяет собрать достаточную информацию об образцах с плохой паяемостью или большой теплоемкостью. Время выдержки 5 с обычно является достаточным для небольших образцов, таких как проволочные выводы.

При сравнении значения силы в начале испытательного цикла со значением силы в конце выдержки можно получить информацию о стабильности взаимосвязи между припоем и образцом (см. также B.6.1.3).

В приведенных ниже примерах часть кривой, характеризующая выталкивающие силы, действующие на образец снизу вверх, т.е. состояние несмачивания, обозначена как отрицательная; кривая, представляющая силы, действующие вниз, т.е. смачивание, показана как положительная.

Пунктирная линия соответствует состоянию в начале испытательного цикла без учета массы образца. Сплошная горизонтальная линия показывает смещение выталкивающей силы, где сила смачивания равна 0.

Выталкивающая сила, действующая на образец, может быть вычислена путем умножения объема погруженной части образца на плотность расплавленного припоя, который этот объем вытесняет. При указанной температуре испытания 235 °C округленное значение плотности расплавленного припоя, состоящего по массе из 60% олова и 40% свинца, составляет 8 г/см³.

Поскольку одним из достоинств данного метода испытания является то, что исследуется весь процесс смачивания, следует использовать не один, а несколько параметров, перечисленных в 9.2 настоящего стандарта, при определении требований, которым должны соответствовать результаты испытания.

В точке B (см. рисунок 2 настоящего стандарта) процесс смачивания начинается с состояния несмачивания до точки, когда мениск припоя только начинает подниматься выше уровня припоя в паяльной ванне. Интервал времени между точками B и t₀ является, таким образом, временем начала смачивания. Рекомендуется, чтобы для компонентов, подвергаемых групповой пайке, это время находилось в пределах от 1 до 2,5 с в зависимости от типа флюса и тепловой характеристики образца.

Максимальная сила смачивания - это максимальное значение, полученное во время испытания. Опорная сила смачивания - это максимальное значение, которое можно получить в данной системе.

Измеренная сила к установленному времени или время для достижения установленной силы, должно удовлетворять установленным требованиям.

После достижения максимального значения силы в точке D мениск может оставаться неподвижным, и сила меняться не будет. Однако эта стабильность может быть нарушена вследствие взаимодействия между образцом и припоем, что приводит к растворению поверхности образца припоем с образованием слоя продуктов реакции на границе раздела. Кроме того, остаточный флюс может испаряться, разрушаться или перемещаться по поверхности припоя в ванне. Эти явления могут привести к уменьшению измеряемой силы, в результате чего значение силы в конце испытательного периода в точке E окажется меньше, чем значение, зарегистрированное в точке D. Такая нестабильность нежелательна. Поэтому для испытания продолжительностью 5 - 10 с рекомендуется, чтобы отношение силы в точке E к силе в точке D не превышало 0,8.

Методика, приведенная в 9.3, для определения опорной силы смачивания использует ряд обработок, обеспечивающих наиболее благоприятные условия для смачивания испытуемых поверхностей.

При использовании такого опорного значения результаты испытаний на образцах с неизвестным состоянием поверхности сравнивают с наилучшим значением смачивания, которое материал способен проявить при данной геометрии и при условиях, определенных в испытании.

Если подобная методика применяется к материалам, поверхности которых смачиваются припоем с большим трудом, то измеренная опорная сила является значением слишком низкой степени смачивания. В таких случаях образцы, конечно, не отвечают первоначальному требованию t₀ - B.

Для получения опорного значения смачивания, не зависящего от природы образца, реальную силу смачивания можно сравнить с теоретической силой смачивания F, мН, вычисленной по формуле

где g - ускорение свободного падения;

- плотность припоя, г/мм³;

- поверхностная константа материала;

v - объем погруженной части образца, мм³;

P - периметр погруженной части образца, мм.

Это равенство основано на предположениях, что:

a) теоретическая сила смачивания F действует в плоскости поверхности образца (т.е. нулевой угол контакта);

b) константа поверхностного натяжения , соответствующая указанному флюсу и припою при 235 °C, равна 0,4 мН/мм (0,4 Дж/м²);

c) произведение (где g - ускорение силы тяжести и - плотность припоя при 235 °C) для данного вычисления приблизительно может быть равно 0,08 Н/см³ (SnPb припои) или приблизительно 0,07 н/см³ (SnAgCu и SnCu припои).