环境试验 第2-82部分 测试方法 xw1：电子电器元器件晶须测试方法 编制说明

《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》编制说明1、任务来源本文件的制定是根据国家标准化管理委员会文件《国家标准化管理委员会关于下达2023年第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》（国标委发〔2023〕58号）要求进行，由工业和信息化部电子第五研究所、中国电子技术标准化研究院、中兴通讯股份有限公司、广州兴森快捷电路科技有限公司、中国工程物理研究院、惠州市德赛西威汽车电子股份有限公司、北京七星华创微电子有限责任公司、珠海松柏科技有限公司、深圳亿铖达新材料有限公司、江苏展芯半导体技术股份有限公司、佛山市承安集团股份有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司共同承担《环境试验第2-82部分测试方法xw1：电子电器元器件晶须测试方法》的编制，项目计划编号为20230978-T-339，计划下达日期为2023-12-01，项目周期为18个月，应报批日期为2025-06-01。2、主要工作过程2.1资料收集、初期调研、标准起草在电子系统中，锡或锡合金表面会受到晶体结构自然生长-“晶须”的影响，晶须的生长会造成参数偏差、短路、烧毁等各种电气故障，故需要标准化测试方法来帮助更快评估和研发锡基产品。考虑到电子组件用元器件和零件的锡或锡合金表面的晶须检测方法目前在国内尚无行业通用的标准，项目计划下达要求修改采用IEC60068-2-82（Edition2.02019-05）《Environmentaltesting–Part2-82:Tests–TestXw1:Whiskertestmethodsforcomponentsandpartsusedinelectronicassemblies》标准，故编制组依据IEC60068-2-82标准于2023年12月编译形成了《环境试验第2-82部分测试方法xw1：电子电器元器件晶须测试方法》国家标准草案，于2024年1月30日编制组全体成员共12家单位参加了在珠海召开的国家标准草案研讨会，经编制组内部讨论，提出了以下主要意见：1）标准的格式需依据GB/T1.1标准要求进行修改；2）标准名称建议修改，不采用系列标准的名称，名称修改为《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》；3）标准内容中“锡须”和“晶须”名称统一；4）正文页码需调整更改；1、编制原则5）部分翻译表达需要进一步完善优化；6）附录编写格式需要调整。研讨会后，编制组对标准中的内容做了重要或较大的修改，在2024年01月29日更新了内部讨论稿。并且根据会上具体分工，各编制组成员对修改后的标准进行审查，并在2024年04月01日更新形成征求意见稿。3、标准编制的主要成员单位及其所做的工作接到此项任务后，组建了由工业和信息化部电子第五研究所、中国电子技术标准化研究院、中兴通讯股份有限公司、广州兴森快捷电路科技有限公司、中国工程物理研究院、惠州市德赛西威汽车电子股份有限公司、北京七星华创微电子有限责任公司、珠海松柏科技有限公司、深圳亿铖达新材料有限公司、江苏展芯半导体技术股份有限公司、佛山市承安集团股份有限公司、宁德时代新能源科技股份有限公司组成的标准起草工作组。标准编制的主要成员单位及其分工见表1。123456789标准编制过程中，标准所规定的条款应明确而无歧义，且具有其适用范围所规定的内容，满足任务书规定的要求；标准的技术内容协调、简明、清楚、准确、逻辑性强，具有实用性和可操作性，且充分考虑封装基板最新技术水平并为未来技术发展提供框架；标准编制与已发布的相关标准协调一致。标准编制结构要求、编排顺序、层次划分、表述规则和编制格式遵循GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》和GB/T20001.10-2014《标准编写规则第10部分：产品标准》中相应条款规定。2、确定主要内容的依据2.1、本文件的编制修改采用IEC60068-2-82:2019(第二版)《环境试验-第2-82部分：试验-试验Xw1：电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》，对IEC60068-2-82（Edition2.02019-05）《Environmentaltesting–Part2-82:Tests–TestXw1:Whiskertestmethodsforcomponentsandpartsusedinelectronicassemblies》标准进行翻译并形成《环境试验第2-82部分测试方法xw1：电子电器元器件晶须测试方法》标准草案，名称经讨论改为《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》，文件规定了对电气或电子元器件以及机械零件例如代表成品阶段的冲压/压印零件(例如，跳线、静电放电保护罩、机械固定件、压接针和电子元器件中使用的其他机械零件）的锡或锡合金表面处理的晶须试验的规定。2.2、本文件的编制主要依据修改采用IEC60068-2-82:2019，并参考了GB/T2421-2020和GB/T2423.22-2012相关国家标准。3、解决的主要问题电子行业内在对锡或锡合金表面晶须观察时并无国内标准可依，本文件统一了晶须的检测标准，增加其在国内的可操作性。本文件修改采用IEC60068-2-82:2019标准，将其编译成中文版本的国家标准，提供了顾客和供应商关于电子系统控制晶须风险的沟通和协商框架，重点讲述晶须的试验方法，并对晶须进行定量评估，为晶须的鉴定提供统一协议。文件主要包括范围、规范性引用文件、术语和定义、缩略语（新增项）、试验设备、试验准备、试验条件、监测和技术相似性、试验和评估、技术或制造工艺的变更、报告内容、附录。三、主要试验[或验证]情况分析[尽可能采用验证数据的综合分析，或采用行业领域调研后的综述分析]1.常温存储根据本文件《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》7.2中的试验条件要求，将试样放置在25℃,50%RH条件下4000h，如下表2，存储完成后依据文件中附录A的试验方法，在SEM下观察器件表面晶须生长状况，如图1所示，试样在常温存储4000h后，未见有明显晶须生长。2.湿热试验根据本文件《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》7.3中湿热试验条件要求，考察器件样品在不同温度和湿热条件下，其镀锡表面晶须生长状况，样品1在55℃,85%RH的条件下放置4000h，样品2在35℃,87%RH的条件下放置4000h，样品3在55℃,87%RH的条件下放置4000h。湿热试验完成后首先在体视显微镜下对镀层表面进行观察，对于有明显晶须生长可以观察的到，如图2所示。依据文件中附录A的方法采用SEM对表面晶须进行观察和测量，从图3中可以看到，在不同条件下各样品表现出不同的晶须生长趋势，晶须有长有短，且呈现出不同的形态，有柱状晶须、螺旋晶须、丝状晶须等。图2代表性晶须观察体视图柱状晶须螺旋晶须螺旋晶须为了研究不同镀层厚度对晶须生长的影响，将不同样品镀上不同厚度的锡并进行晶须生长试验，观察晶须生长情况。器件的镀层厚度约为12μm，引线框架镀层厚度约为5μm。框架晶须框架器件框架(c)器件框架(c)镀层厚度12μm图4所示为在75℃/87%RH湿热条件下不同镀层厚度样品的晶须生长形貌。可见，镀层为12μm的样品晶须生长不明显，而镀层为5μm的样品均有晶须长出。将不同样品的晶须生长进行SEM观察，测量其生长尺寸结果如图5所示，可以看出随着试验时间的推移，晶须生长均呈增长趋势。为研究器件引脚样品经历不同湿热时间后其晶须生长状况，依据本文件《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》7.3中表4湿热试验条件要求进行稳态湿热试验(条件为：温度55℃,湿度85%RH)。如下表3为样品在不同稳态湿热时长后，依据附录A中测试方法要求，对引脚镀锡层表面晶须尺寸测量结果。1234567890000000000000000001234567890000000000000000001234567893.温度循环试验根据本文件《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》7.4中温度循环试验条件要求，对器件样品进行试验，温度循环试验条件见下表4。温循试验完成后，依据文件中附录A在SEM下对样品进行观察和测量，从图6中可见各样品在温度循环条件下试样表面长出了晶须，且表面出现了裂纹，晶须均从表面裂纹处长出。-40℃~70℃;高低温保持时间10min；约3个-40℃~85℃;高低温保持时间10min；约3个循环每小时-40℃~70℃温循-40℃~85℃温循条件下不同器件晶须从表面裂纹处生长为研究器件引脚样品经历不同温度循环数后其晶须生长状况，依据本文件《电子组件用元器件和零件的晶须试验方法》7.4温循试验条件(条件为：温度-55℃,湿度85%RH)要求进行试验。如下表5为样品经历相同温湿度但不同循环数后，依据本文件附录A中测试方法要求，对器件镀锡层表面晶须尺寸测量结果。1234567891234567893.综合分析结合以上检测结果，体视显微镜下对于较明显的晶须生长能观察的到，但是对于晶须具体形貌以及微小晶须就不能详细观察到。采用SEM成像，不仅能测量晶须的长度，也能观察到晶须的晶格形貌以及具体生长状况。湿热试验结果：图3中可以得知在不同条件下各样品表现出不同的晶须生长趋势，晶须有长有短，且呈现出不同的形态；表3中可以看出，晶须在1000h和2000h均未见明显生长，而在湿热4000h后出现增长现象；图5中可以看出不同厚度的镀层晶须的生长状态也不一致，随着锡层厚度的增加，锡须生长长度减小，锡层厚度大的器件锡须生长速度也较慢。温度循环试验结果：图6中可以看出镀层表面裂纹有助于晶须的生长；表5中可以看出，随着温度循环数的增加，晶须趋于增长态势。综上所述，晶须的生长与其所处周围环境温度、湿度、时间等均有密切关系，而对于晶须的观察和测量更需要在标准规范下的设备及方法才能得到科学直观的研究数据。本文件不涉及专利和知识产权问题。欧盟限制在电子电气设备中使用有害物质法规（ROHS）已经实施，禁止使用有害物质中包括铅，成为电子行业最沉重负担，迫使电子系统中诸多工艺、材料、元件、印制电路板和设备均需改变。传统能够抑制晶须生长的铅（Pb）由于无铅化发展要求而逐步被Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Bi、Sn-Cu等焊料替代。在二十世纪中期，电子工业已经开始使用纯锡镀层，由晶须导致的电气故障案例中包括卫生、导弹、航天飞行器等在内的多起重大安全事故，消费类电子产品中，据NASA统计，全球每年由于晶须生长造成的失效而产生的直接经济损失高达数十亿美元。晶须是从固体表面自发生长出来，也称“固有晶须”。常见是在锡、镉、锌、锑、铟等金属上生长。一般来讲，晶须现象易出现在低熔点、延展性良好的材料上。锡的晶须简称晶须，是一种单晶体结构且导电。其种类包括：直线型晶须、弯曲型晶须、扭结型晶须、从小丘上长出的晶须，如图7所示。直线型晶须弯曲型晶须扭结型晶须从小丘上长出的晶须图7各类晶须代表性图晶须生长速率一般为0.03~0.9mm/年，在一定条件下，生长速率可能增加100倍或100倍以上。其生长主要由电镀层上开始，具有较长潜伏期，内部应力、外部机械应力、晶格结构、镀层类型和厚度、基体材料、温度和湿度是影响晶须生长的因素。如图8所示为晶须生长机理。压应力为晶须生长的驱动力，应力来源如电镀化学过程、镀锡层与基体材料的热膨胀系数不一致、基体材料向锡镀层的扩散、外部机械应力、金属间化合物、环境应力、锡的表面氧化物等。图8晶须生长机理图示本文件的制订有利于指导电气组件用元器件和零件锡或锡合金表面晶须研究、生产的内部质量管控，用以记录其确保组装件性能、可靠性、安全性以及认证可靠性的过程，最终用户统一产品的质量要求和检验方法等。有利于保障产品质量、推