GB∕T 4937.20-2018 半導體器件 機械和氣候試驗方法 第20部分：塑封表面安裝器件耐潮濕和焊接熱綜合影響

ICS31.080.01GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008半導體器件機械和氣候試驗方法第20部分：塑封表面安裝器件耐潮濕和焊接熱綜合影響Part20:ResistanceofplasticencapsulatedSMDstothecombinede(IEC60749-20:2008,IDT)國家市場監(jiān)督管理總局中國國家標準化管理委員會GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008 Ⅲ 1 1 14試驗設備和材料 14.1濕熱試驗箱 14.2再流焊設備 14.3基板 24.4波峰焊設備 24.5氣相再流焊的溶劑 24.6助焊劑 24.7焊錫 2 25.1初測 25.1.1外觀檢查 25.1.2電測試 25.1.3聲學掃描內(nèi)部檢查 2 35.3水汽浸漬 35.3.1一般要求 35.3.2非干燥包裝的SMD試驗條件 35.3.3干燥包裝的SMD水汽浸漬 35.4焊接熱 45.4.1概述 45.4.2紅外對流或?qū)α髟倭骱附拥募訜岱椒?55.4.3氣相再流焊接的加熱方法 65.4.4波峰焊的加熱方法 6 75.6最終檢測 75.6.1外觀檢查 75.6.2電特性測試 75.6.3聲學掃描檢查 76應在相關文件中規(guī)定的細節(jié) 7附錄A(資料性附錄)塑封表面安裝器件耐潮濕和焊接熱綜合影響的試驗方法描述及細節(jié) 9 9A.1.1水汽浸漬指南 9IⅡGB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008A.1.2基于水汽浸漬的考慮 9A.2水汽含量測量程序 A.3焊接熱方法 A.3.1紅外對流和對流再流焊接的溫度曲線 A.3.2氣相焊接的溫度曲線 A.3.3波峰焊接的加熱方法 圖1樣品溫度曲線測量方法 2 7圖A.1溫度85℃、相對濕度85%下的水汽擴散過程 圖A.385℃時的水汽浸漬到飽和所需時間與樹脂厚度的函數(shù)關系 圖A.4樹脂中水汽含量飽和度與溫度的對應關系 圖A.5不同浸潤條件下第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系 圖A.6方法A水汽浸漬條件下的第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系 圖A.7方法B水汽浸漬條件下的第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系 圖A.8方法B條件B2水汽浸漬條件下第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系 圖A.9Sn-Pb共晶焊接的紅外對流和對流再流焊溫度曲線 圖A.10無鉛焊接的紅外對流和對流再流焊溫度曲線 圖A.11分段曲線 圖A.12氣相焊接的溫度曲線(條件IA) 圖A.13浸入焊槽的浸潤方法 圖A.14紅外對流再流焊接和波峰焊接的對應關系 表1非干燥包裝SMD的水汽浸漬條件 3表2干燥包裝的SMD水汽浸漬條件(方法A) 3 4表4Sn-Pb共晶過程——再流焊溫度分類 表5無鉛過程——再流焊溫度分類 5表6氣相再流焊接的加熱條件 表7波峰焊的浸潤條件 7表A.1與實際貯存條件等效的焊接熱前水汽浸漬條件對照表 表A.2分段曲線 ⅢGB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008——第37部分：采用加速度計的板級跌落試驗方法；——第38部分：半導體存儲器件的軟錯誤試驗方法；——第39部分：半導體元器件原材料的潮氣擴散率和水溶解率測量；——第40部分：采用張力儀的板級跌落試驗方法；——第41部分：非易失性存儲器件的可靠性試驗方法；——第42部分：溫度和濕度貯存；——第43部分：集成電路(IC)可靠性鑒定方案指南；——第44部分：半導體器件的中子束輻照單粒子效應試驗方法。本部分為GB/T4937的第20部分。本部分按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本部分使用翻譯法等同采用IEC60749-20:2008《半導體器件機械和氣候試驗方法第20部分：與本部分中規(guī)范性引用的國際文件有一致性對應關系的我國文件如下：——GB/T4937.3—2012半導體器件機械和氣候試驗方法第3部分：外部目檢(IEC60749-3:2002,IDT)請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別這些專利的責任。本部分由中華人民共和國工業(yè)和信息化部提出。本部分由全國半導體器件標準化技術委員會(SAC/TC78)歸口。1GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008半導體器件機械和氣候試驗方法第20部分：塑封表面安裝器件耐潮濕和焊接熱綜合影響GB/T4937的本部分規(guī)定了塑封表面安裝半導體器件(SMD)的耐焊接熱評價方法。該試驗為破IEC60068-2-20:2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2-20部分：試驗方法試驗T:帶引線器件的可焊性和耐焊接熱試驗方法(Environmentaltesting—Part2-20:Tests—TestT:Testmethodsforsolder-abilityandresistancetosolderingheatofdeviceswithleads)IEC60749-3半導體器件機械和氣候試驗方法第3部分：外部目檢(Semiconductordevices—Mechanicalandclimatictestmethods—Part3:Externalvisualexamination)IEC60749-35半導體器件機械和氣候試驗方法第35部分：塑封電子元器件的掃描聲學顯微鏡檢查(Semiconductordevices—Mechanicalandclimatictestmethods—Part35:Acousticmicroscopyforplasticencapsulatedelectroniccomponents)紅外對流和氣相再流焊設備提供的溫度曲線應能夠符合5.4.2和5.4.3中規(guī)定的焊接熱條件。再如圖1所示。2GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008引線樹脂基板定在基板上，如圖1所示。如果按照圖1放置需改變樣品引出端形狀，進而造成其電參數(shù)異常時，應選應使用全碳氟化合物。除相關文件另有規(guī)定外，助焊劑由質(zhì)量分數(shù)為25%的乙醇和75%的異丙醇組成，詳見IEC60068-2-20:2008中附錄B的規(guī)定。采用IEC60068-2-20:2008中表1規(guī)定的焊錫組分。試驗前應在40倍顯微鏡下，按照IEC60749-3的規(guī)定進行外觀檢查，應特別注意外表面的裂紋和除相關文件另有規(guī)定外，按照IEC60749-35的規(guī)定，使用聲學掃描顯微鏡檢查樣品內(nèi)部裂紋和3GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008除相關文件另有規(guī)定外，樣品應在125℃±5℃下烘焙至少24h。除相關文件另有規(guī)定外，應根據(jù)樣品的包裝方式選擇水汽浸漬的條件(參見A.1.1)。如果相關文應依據(jù)實際允許的極限貯存條件，從表1選擇水汽浸漬條件(參見A.1.2.1)。表1非干燥包裝SMD的水汽浸漬條件條件溫度℃相對濕度%持續(xù)時間h實際允許的極限貯存A1或B1注：條件A1和B1為方法A或方法B中非干燥包裝的SMD水汽浸漬條件。干燥包裝的SMD水汽浸漬條件見表2或表3。干燥包裝的SMD水汽浸漬包括兩個步驟。步驟一是模擬SMD打開干燥包裝或干燥儲物柜之前的潮濕條件；步驟二是模擬SMD打開包裝至焊接期間的潮濕條件。干燥包裝的SMD水汽浸漬條件應從方法A或方法B中選擇。當承制方規(guī)定SMD干燥包裝或干燥儲物柜中的相對濕度在10%～30%之間時，選擇方法A,相對濕度低于10%時，選擇方法B。除相關文件另有規(guī)定外，應先進行表2中條件A2的步驟一，隨后，在步驟一完成后的4h內(nèi)2中條件A2的步驟二(參見A.1.2.2)。步驟一的相對濕度條件應與防潮袋內(nèi)相對濕度的上限一致。步驟二的相對濕度應與車間壽命的條件一致。除防潮袋貯存和車間壽命的水汽浸漬條件在表2中進行了詳細的規(guī)定外，其他試驗條件需在相關表2干燥包裝的SMD水汽浸漬條件(方法A)條件水汽浸漬條件干燥包裝和干燥儲物柜中的允許貯存條件車間壽命條件A2步驟一條件(85±2)℃,(30±5)%RH30℃,30%RH,1年—A2步驟二條件(30±2)℃,(70±5)%RH<30℃,70%RH,168h4GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008注1:步驟一表征SMD干燥包裝或干燥儲物柜中的貯存條件，同時也表征分銷商或使用者檢查后重新包裝引起的干燥包裝中相對濕度增加的貯存條件。當選用條件A2時，將SMD封裝在有IC卷盤和干燥劑的防潮袋中，進行幾周的干燥。防潮袋可能會多次暫時開包(一次幾個小時)。當干燥包裝中的濕度指示卡顯示濕度低于30%時，重新包裝幾天后SMD會恢復到初始的潮氣吸收狀態(tài)，允許重新包裝和檢查SMD。在這種情況下，認為干燥包裝中的潮氣得到控制，不必進行SMD水汽含量的測量(參見A.2)。為控制濕度，需對濕度指示卡校正。注2:由于在干燥包裝或干燥儲物柜中存放的SMD在經(jīng)歷長期貯存后會逐漸達到水汽飽和，因此當按步驟一條件進行水汽浸漬沒有達到飽和，延長浸潤時間至336h。當步驟一水汽浸漬已達到飽和，縮短浸潤時間。5.3.3.3方法B表3干燥包裝的SMD水汽浸漬條件(方法B)條件水汽浸漬條件從烘焙到干燥包裝及干燥包裝短時開封的條件車間壽命條件B2(85±2)℃,(60±5)%RH,<30℃,60%RH,24h<30℃,60%RH,1年B2a<30℃,60%RH,24h<30℃,60%RH,28dB3<30℃,60%RH,24h<30℃,60%RH,168hB4<30℃,60%RH,24h<30℃,60%RH,72hB5<30℃,60%RH,24h<30℃,60%RH,48hB5a<30℃,60%RH,24h<30℃,60%RH,24hB66±24h<30℃,60%RH,6h注1:條件B2到B6的水汽浸漬條件覆蓋了步驟一條件(30℃,60%RH,24h)和步驟二條件(車間壽命)。注2:由于受潮的材料和退化的干燥劑釋放水汽，導致干燥包裝中的相對濕度超過10%。因此，SMD干燥包裝中的物品、IC卷盤和其他材料，封裝進防潮袋之前充分干燥。干燥包裝中的相對濕度通過濕度指示卡和SMD水汽含量測量予以標定，參見A.2。注3:因為干燥儲物柜中不能獲得非常低的相對濕度，不推薦將SMD貯存在干燥柜中來代替干燥包裝。注4:方法B的條件覆蓋從烘焙到焊接整個SMD貯存過程，包含SMD從烘焙到封裝進干燥包裝中以及干燥包裝暫時開封和車間壽命的整個室溫貯存持續(xù)時間。除相關文件另有規(guī)定外，樣品應在水汽浸漬或高溫烘焙試驗完成后的4h之內(nèi)進行焊接熱試驗。注：如果樣品在室溫下貯存超過4h不受水汽浸漬或烘焙的影響，則水汽浸漬或烘焙完成后超過4h的貯存時間可在相關文件中明確規(guī)定。5GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008除相關文件另有規(guī)定外，樣品應置于再流焊設備中，按照A.3.1規(guī)定的溫度條件范圍預熱60s~預熱之后，樣品的溫度應先提升到峰值溫度，然后降至室溫。依據(jù)實際焊接條件，從表4或表5中注1:在表4和表5中，A的試驗條件用于實際焊接時間短的溫度曲線，B用于實際焊接時間長的溫度曲線。注3:依據(jù)上下文關聯(lián)，表4、表5中及文中紅外對流再流焊接的方法A、方法B表述為條件I-A、條件I-B更合適。表4Sn-Pb共晶過程——再流焊溫度分類封裝厚度條件規(guī)定的焊接溫s相應體積的溫度350mm3~2000mm3A℃B℃A℃B℃封裝厚度條件規(guī)定的焊接溫度的試驗時間s相應體積的溫度350mm3~2000mm3ABABAB6GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:20085.4.3氣相再流焊接的加熱方法樣品應安裝在基板上。除相關文件另有規(guī)定外，樣品應置于氣相再流焊設備中，在100℃到160℃溫度條件下預熱60s~預熱之后，樣品的溫度升高。當樣品溫度達到215℃±5℃時，按照表6保持40s±4s,參見A.3.2。表6氣相再流焊接的加熱條件條件溫度℃時間s按照相關文件的規(guī)定，使用粘合劑將樣品底面安裝在基板上。除相關文件另有規(guī)定外，在樣品和基板之間不得使用助焊劑。除相關文件另有規(guī)定外，樣品應置于焊接設備中在80℃~140℃下預熱30s～60s。預熱后，將樣品和基板一起浸入熔融的焊料中，如圖2所示。浸潤條件從表7中選擇。7GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008熔融焊料熔融焊料樣品方向a)浸潤開始b)浸潤結束條件焊接溫度℃浸潤時間s實際的焊接方法260±5單峰260±5雙峰注：波峰焊接并不是承制方普遍采用的焊接方式。如果承制方?jīng)]有此設備，相應的焊接熱方法在承制方和用戶之間的協(xié)議中進行規(guī)定。除相關文件另有規(guī)定外，按照IEC60749-35的規(guī)定，使用聲學掃描顯微鏡對樣品內(nèi)部的裂紋和分層進行檢查。a)基板材料(見4.3);8GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008b)樣品在基板上的位置(見4.3);c)助焊劑組分(見4.6);d)試驗樣品數(shù)量(見第5章);e)初始檢測的項目和失效判據(jù)(見5.1);f)預處理(見5.2);g)水汽浸漬的方法(見5.3);h)干燥條件(見5.2);i)烘焙替代水汽浸漬的條件(見5.3);j)干燥包裝的SMD水汽浸漬方法(見5.3.3);k)水汽浸漬條件的步驟間隔時間(見5.3.3.2);1)步驟一和步驟二的條件以及是否需要其他條件(見5.3.3.2);n)SMD貯存在完全干燥的包裝中的水汽浸漬條件(見5.3.3.3);o)非干燥包裝的水汽浸漬條件(見5.3.2);p)水汽浸漬結束與焊接熱的時間間隔(見5.4.1);q)焊接熱的方法和條件(見5.4.1);r)焊接熱的循環(huán)次數(shù)(見5.4.1);s)紅外對流和對流再流焊接的預熱條件(見5.4.2.2);t)紅外對流和對流再流焊接的加熱條件(見5.4.2.3);u)氣相再流焊接的預熱條件(見5.4.3.2);v)粘接方法(見5.4.4.1);w)波峰焊接的預熱條件(見5.4.4.2);y)恢復條件(見5.5);z)最終檢測的項目和失效判據(jù)(見5.6)。9GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008(資料性附錄)A.1水汽浸漬描述5.3中水汽浸漬試驗的方法A和方法B適用于干燥包裝的SMD,而表1中的條件適用于常溫貯存如果按表1中條件進行水汽浸漬后，焊接熱導致封裝出現(xiàn)裂紋，如果按方法A和方法B進行水汽浸漬后，焊接熱導致封裝裂紋，SMD在焊接到PCB板之前推薦進行預烘焙。SMD中的水汽是水蒸氣擴散到樹脂中造成的。如果封裝出現(xiàn)接近芯片基座或芯片中心的裂紋，應檢驗樹脂中的水汽含量。溫度85℃、相對濕度85%時水汽含量的擴散特性示例如圖A.1所示，此例定的參考意義。圖A.1和圖A.4～圖A.8表明了樹脂中的水汽含量特性。為了模擬長時間的貯存情況，例如SMD在干燥包裝或倉庫中貯存1年，焊接熱試驗開始之前有必要使水汽達到飽和。水汽在樹脂中擴散速度取決于溫度。圖A.2規(guī)定了樹脂厚度，圖A.3表示溫度85℃時，水汽達到飽和的時間取決于樹脂的厚度。通常，對于一個普通的SMD,樹脂厚度為0.5mm~樹脂中水汽含量的飽和依賴于溫度和相對濕度，如圖A.4所示。水汽飽和所必需的相對濕度可以通過圖A.4確定(例如，85℃下的樹脂中水汽含量可以做到與實際貯存環(huán)境溫度30℃時的水汽含量一致)。焊接熱試驗的水汽浸漬條件由圖A.4確定，如表A.1所示。圖A.5給出了在實際貯存條件及水汽浸漬條件下第一層界面(即芯片上表面或芯片基座的底面)樹脂中的水汽含量。GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008424h芯片基座SMD背面268到SMD背面的距離/mm圖A.1溫度85℃、相對濕度85%下的水汽擴散過程圖A.2樹脂厚度和第一層界面的定義2000圖A.385℃時的水汽浸漬到飽和所需時間與樹脂厚度的函數(shù)關系GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008圖A.4樹脂中水汽含量飽和度與溫度的對應關系表A.1與實際貯存條件等效的焊接熱前條件實際貯存條件85℃時水汽浸漬的相對濕度%A2最大溫度：30℃,最大相對濕度：30%30±5表1最大溫度：30℃,最大相對濕度：85%85±5B2最大溫度：30℃,最大相對濕度：60%60±584230℃、30%RH,1年(干燥包裝貯存條件)006圖A.5不同浸潤條件下第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008A.1.2.2水汽浸漬條件——方法A水汽浸漬方法A見5.3.3.2,它針對在干燥包裝或干燥柜中長期貯存、在30℃、30%RH條件下貯存1年、或在可隨時開封的包裝或柜子中，并時常打開幾小時，但濕度指示卡始終顯示小于30%圖A.6顯示A3的步驟一條件和A2的步驟二條件能夠完全表征干燥包裝開封后，30℃、70%RH下168h車間壽命，即使干燥包裝的相對濕度降低至30%的情況。885℃、30%RH飽和后30℃、70%RH、168h水汽浸潤(條件A2后進行A3)6打開干燥包裝后的30℃、70%RH、168h485℃、30%RH飽和狀態(tài)2%0.51.0樹脂厚度/mm圖A.6方法A水汽浸漬條件下的第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系A.1.2.3水汽浸漬條件——方法B水汽浸漬方法B見5.3.3.3,適用于SMD、IC卷盤和其他材料充分烘焙并加入吸收水汽的干燥劑后直接干燥封裝的情況。干燥劑用于吸收透過密封包裝的水汽。a)使用水汽敏感的濕度指示卡，警示干燥劑是否喪失功能；b)SMD中水汽含量的測定如A.2所示。在環(huán)境中的暴露時間包括SMD烘焙到干燥包裝的時間、干燥包裝在分銷商處暫時開封的時間，以及車間壽命。圖A.7表示了方法B中條件與高濕環(huán)境中長期貯存的計算關系。計算圖表中的條件B3～B6顯示較厚SMD和貯存環(huán)境的內(nèi)在關系，且貯存環(huán)境中的相對濕度大于10%。針對封裝外表面到界面厚度超過1mm的SMD,條件B3～B6并不比30℃、10%RH下貯存1年嚴酷。如果相對濕度10%下界面水汽達飽和后的器件再流性能受到重要影響，那么,使用方法B條件評價的較厚封裝的SMD應貯存在低于10%RH的環(huán)境中。圖A.8描述了一個如何計算經(jīng)歷方法B的試驗樣品界面水汽含量的例子，但該界面水汽含量的計算方法可能并不適用于大多數(shù)的使用環(huán)境相對濕度大于10%的產(chǎn)品。GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008B3:完全烘焙后，30℃、60%RH、192hB4:完全烘焙后，30℃、60%RH、192hB5:完全烘焙后，30℃、60%RH、192hB6:完全烘焙后，30℃、60%RH、192h6428圖A.7方法B水汽浸漬條件下的第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系圖A.8方法B條件B2水汽浸漬條件下第一界面樹脂中水汽含量與厚度的對應關系A.2水汽含量測量程序器件水汽含量(MCD)經(jīng)常用來指示SMD中的水汽含量。但是，由于下述原因，MCD的測量應謹慎使用：——由于擴散進入SMD的水汽可能是變化的，當水汽浸漬未達到飽和時，不能體現(xiàn)第一界面樹脂中的水汽含量。例如，SMD表面可能含有高的水汽，但內(nèi)部是干燥的，反之亦然；——盡管樹脂中的水汽含量是相同的，根據(jù)器件中樹脂所占的比率，MCD卻是不同的。器件的水汽含量測量程序符合以下描述：——對于每個器件的質(zhì)量(x),稱重精確到0.1mg;——若有關文件中規(guī)定的貯存溫度絕對最大額定值允許，器件可在150℃下干燥24h或125℃下干燥48h; 器件應在30min±10min內(nèi)冷卻至室溫：——器件重新稱重(y);GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008——器件水汽含量(MCD)使用下列公式計算：A.3.1紅外對流和對流再流焊接的溫度曲線A.3.1.1條件A時間-溫度曲線5.4.2中規(guī)定的條件A焊接時間較B短，焊接熱試驗應根據(jù)圖A.9和圖A.10的溫度曲線執(zhí)行(Tp指封裝本體的峰值溫度，它是水汽敏感度試驗中獨立封裝本體的最高溫度，tp是溫度從Tp到Tp-5℃所需的時間)。在實際應用中，為了實現(xiàn)良好的焊接效果，需要控制焊接點溫度。另外，由于半導體器件的熱損傷取決于器件本體的溫度，也需要對焊接試驗中的溫度進行控制。體積大的半導體器件熱容量較大，在實際焊接器件中本體溫度上升較慢，而體積小的半導體器件熱容量較小，本體溫度較易升高。因此，如表4和表5所示，有必要根據(jù)半導體器件體積大小改變溫度條件。Tp(±3)s圖A.9Sn-Pb共晶焊接的紅外對流和對流再流焊溫度曲線Tp(±8)sTp-5℃_60s～120s圖A.10無鉛焊接的紅外對流和對流再流焊溫度曲線GB/T4937.20—2018/IEC60749-20:2008A.3.1.2條件B時間-溫度曲線表A.2分段曲線曲線特性Sn-Pb共晶焊接無鉛焊接升溫速率(Tsmax到Tp)最大值3℃/s最大值3℃/s預熱最低溫度(Tgmin)最高溫度(Tsmax)時間(Tgmin到Tgmax)(tg)保持時間溫度(T)時間(t)217℃封裝本體的峰值溫度(Tp)對于用戶，T。不允許超過表4中不同分類對應的溫度。對于供應商，T。應大于或等于表4中不同分類對應的溫度對于用戶，T,不允許超過表5中的不同分類對應的溫度。對于供應商，T,應大于或等于表5中的不同分類對應的溫度低于規(guī)定分類溫度T。不超過5℃的持續(xù)時間(tp)",見圖A.11降溫速率(T,到Tsmax)最大值6℃/s最大值6℃/s25℃到峰值溫度的時間最小值6min最大值8min注1:Tsmim是預熱開始時的溫度，Tsmx是預熱結束后開始變溫的溫度，t。是從Tsm到Tsmax的時間。注2:引出端向下(方向)是用來描述封裝置于引出端上方的專用語。引出端向上(方向)是用來描述引出端朝上的封裝方向的專用語。注3:所有的溫度