【国家标准】 航空电子过程管理 含无铅焊料航空航天及国防电子系统 第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法

ICS49.025.01
CCSV25
中华人民共和国国家标准
GB/T41275.3—2022
航空电子过程管理
含无铅焊料航空航天及国防电子系统第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法
Process management for avionics-Aerospace and defence electronic systemscontaining lead-free solder-Part 3:Performance testing for systems containinglead-free solder and finishes（IECTS62647-3:2014.M0D）
2022-03-09发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2022-10-01实施
中华人民共
国家标准
航空电子过程管理
含无铅焊料航空航天及国防电子系统第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法
GB/T41275.3—2022
中国标准出版社出版发行
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服务热线：400-168-0010
2022年3月第一版
书号：155066·1-69604
版权专有
侵权必究
规范性引用文件
术语和定义
缩略语
试验方法
试验载体
试验载体类型
样本量
5.3热老化预处理方法
热老化加速模型
通用测试参数
温度循环试验方法
试验参数
试验时间
失效判定和分析
加速模型
振动试验
机械冲击
综合环境试验
试验规程
试验载体
温度循环试验要求
恢复时间的测量
确定高温持续时间和温度
根据用途选择其他测试参数
试验实施
确定温度与失效循环次数的相关性预估失效时的循环次数
振动试验
机械冲击
综合环境试验规程
GB/T41275.3—2022
GB/T41275.3—2022
6.6.1通则
6.6.2综合环境关联关系
6.6.3NASA-DoD无铅项目
6.6.4MIL-STD-810G寿命周期
6.7失效判定和分析...
7说明事项·
附录A（资料性）
试验样本量的确定·
附录B（资料性）
附录C（资料性）
附录D（资料性）
参考文献
无铅焊料的材料特性
NASA-DoD无铅电子项目试验信息本文件与IECTS62647-3:2014技术差异及其原因10
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则起草。
本文件是GB/T41275《航空电子过程管理GB/T41275已经发布了以下部分：一第2部分：减少锡有害影响：
GB/T41275.3—2022
第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定含无铅焊料航空航天及国防电子系统》的第3部分。一第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法；一第21部分：向无铅电子过渡指南。本文件修改采用IECTS62647-3：2014《航空电子过程管理含无铅焊料航空航天及国防电子系统第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法》，文件类型由IEC的技术规范调整为我国的国家标准。
本文件与IECTS62647-3：2014相比做了下述结构调整：第4章对应IECTS62647-32014中的3.2；将IECTS62647-3：2014中的6.4.1条标题删除。本文件与IECTS62647-3：2014相比，存在较多技术差异，在所涉及的条款的外侧页边空白位置用垂直单线（）进行了标示。这些技术差异及其原因一览表见附录D。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专利的责任。本文件由全国航空电子过程管理标准化技术委员会（SAC/TC427)提出并归口。本文件起草单位：中国航空综合技术研究所、中国电子科技集团公司电子科学研究院、中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所、中国空间技术研究院、中国电子科技集团第五十八研究所本文件主要起草人：杨洋、梁媛、湛希、邵文韬、何雪丽、王炜信、裴淳、刘站平、谷瀚天、杨瑛、李高显、李守委、谢童彬。
GB/T41275.3—2022
GB/T41275规定了航空航天、国防和高性能电子系统实现无铅化的管理要求与技术要求，拟由3个部分构成。
第2部分：减少锡有害影响。目的在于规定航空航天、国防和高性能电子系统为减少锡有害影响而采取的技术方法。
一一第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法。目的在于规定含无铅焊料和无铅管脚的航空航天、国防和高性能电子系统的性能试验方法与试验规程。一一第21部分：向无铅电子过渡指南。目的在于规定航空航天、国防电子系统项目管理层或系统工程管理层管理向无铅电子过渡的工作指南。作为IEC62647系列标准之一，本文件适用于印制板组装件性能试验设计.通用试验方法主要针对仅需要通用试验方法的公司，试验设计和实施规程主要针对有自行制定试验方法需求的公司。本文件的编制目的并非为了规定某类特定方法，而是为航空电子/国防供应商的产品达到IEC/TS62647-1的可靠性或性能要求.以及IEC/TS62647-21规定的要求提供参考试验方法（见第5章）一方面适用于电子设备制造商、维修机构的常规项目，另一方面也适用于由于多种原因无法针对产品定制试验方法的项目。当无足够信息用于确认、实施和测试含有无铅焊料的电子设备的可靠性、合格性或其他试验结果时应使用该方法。通用方法实施条件较为保守，有利于使航空航关、国防和高性能（ADHP)电子设备用户的风险最小化试验规程（见第6章）适用于具备资源，且可针对其具体产品的使用条件和应用场景，设计并执行可靠性、质量或工艺相关的试验制造商或维修机构。使用该规程的用户应具备必要的知识、经验和数据以定制其相关试验方法，并能根据所得数据指导设计、实施试验，并分析结果。该规程的关键是明确所涉及无铅材料的所有材料属性，以及5.3.2中描述的封装级和板级属性。研究表明，由于铅锡和锡银铜焊料的蠕变机理可能存在不同，因此深人研究该类机理是确定主要试验参数（如温度循环持续时间)的关键。该规程可为精确确定新材料性能的试验参数制定提供指导推荐用户使用该规程，可在降低成本的同时获得更精确的结果。IEC/TS62647-22全面概述了使用该规程时必要的技术要素
本文件通过性能试验对包含无铅焊料的电子产品的故障机理进行评估。根据失效物理和寿命预测分析，焊点的疲劳失效是ADHP电子产品中的主要失效模式。由ADHP电子产品的无铅焊料引起的潜在故障模式是分析早期现场故障或可靠性问题的关键因素，不同失效模式的分类可能误导试验结果或出现错误结论。需通过失效分析正确区分各类失效模式，从而能够正确应用可靠性评估和寿命预测。如可行，应将本文件中定义的方法与IPC-SM-785规定的流程一起使用，或至少需要满足IPC-SM785和JESD22-B110A中可靠性部分的要求。本文件可灵活、定制化使用，任何章条均可单独用于指导无铅组件的试验设计。若要通过该类试验形成可靠性、验证或鉴定试验的结论，需征求利益相关者的意见并针对预期问题制定相应的规范性文件。
1范围
航空电子过程管理
含无铅焊料航空航天及国防电子系统第3部分：含无铅焊料和无铅管脚的系统性能试验方法
GB/T41275.3—2022
本文件规定了含无铅焊料和无铅管脚的系统性能的试验方法、试验规程和说明事项等内容本文件适用于航空航天及国防电子系统向无铅焊料过渡的产品，其他高性能、高可靠性电子行业可参考使用
注：向无铅焊料过渡的产品包括：已通过传统铅锡电子元器件、材料和组装工艺的设计和鉴定，但正在使用无铅元器件进行重新鉴定的产品；
采用锡铅设计转换为无铅焊料的产品；采用无铅焊料新设计的产品：
组装焊接级产品，即印制板组装件级产品。2规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；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。
IPC-9701A：2006表面贴装焊接连接的性能测试方法和鉴定要求（Performancetestmethodsandqualificationrequirements forsurfacemountsolderattachments)IPC-SM-785表面贴装焊接连接加速可靠性试验指南（Guidelinesforacceleratedreliabilitytesting of surface mount solder attachments)JESD22-B11oA组件机械冲击（Subassemblymechanicalshock）MIL-STD-810G：2008环境工程相关事项及实验室测试（Environmentalengineeringconsiderationsand laboratory tests)
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
+coupon
等效样件
实际产品或更高等级试验载体按比例缩小的试验样件。3.2
热膨胀系数coefficientofthermalexpansion；CTE材料的膨胀程度与温度变化的比值。注：PCB/PWB热膨胀系数（X、Y轴）是在零件安装表面的平面方向上测量的，用于量化温度循环时由于部件与PCB之间热膨胀系数差异引起的焊点应力。热膨胀系数（Z轴）在“厚度”方向上测量，通常用于量化镀通孔应力。1
GB/T41275.3—2022
［来源：IEC/TS62647-22：2013，3.1.8]3.3
重力加速度
g-force
每单位质量所受的力。可用加速度计测量，等同于重量。注：由于该力被认为等同于重量，因此任何重力加速度都可以被描述为“每单位质量所受的重量”。当力乘以它们所作用的质量时，重力加速度类似于某类场景下作用的机械应力，该应力将产生压应力和拉应力。3.4
无铅lead-free；Pb-free
电子产品中含铅量（重量计)低于0.1%的状态。［来源：IEC/TS62647-1:2012，3.8］3.5
印制电路板
印制线路板
printed circuit board;PCB
printed wiring board;PWB
在基材上利用覆铜板蚀刻的导电路径、轨迹或信号迹线（比对修改)连接多个电子元器件所形成的电路。
［来源：IEC/TS62647-21:2013，3.1.10］3.6
tin-lead
通常规定铅锡焊料中所含有的锡和铅，除另有规定外，锡占比63%，铅占比37%。3.7
vehicle
试验样品，如电路板组件（CCA）。缩略语
下列缩略语适用于本文件。
ADHP：航空航天、国防和高性能（aerospace，defenceandhighperformance）CCA：电路板组装件（circuitcardassembly）JG-PPorJGPP：污染防治联合小组（NASA无铅焊料检测组）[JointGrouponPollutionPrevention(NASAgroupthatbeganthelead-freesoldertesting)]PSD：功率谱密度（powerspectraldensity）RoHS：2002/95/EC《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》（RestrictionofHazardousSubstances)
5试验方法
通用方法仅适用于CCA。对于热老化加速模型，可使用等效样件。试验载体
属性：
试验载体类型
般选用制造或维修过程中采用典型材料和工艺的焊接组件作为试验载体，并记录试验载体以下a)
板类型、材料、尺寸、表面光洁度、厚度、铜含量；b）零件材料、包装尺寸、封装类型、管脚材料；焊料合金；
装配工艺，包括助焊剂和清洗剂；d)
热管理材料：
底部填充和加固材料；
其他机械附着的结构；
h）环境涂覆材料；
维修/操作（包括使用的焊料合金）。GB/T41275.3—2022
可使用电子功能组件/单元或代表性试验载体，但应对电子组装材料、试验载体配置和组装过程进行全面的记录。IPC-9701A：2006的4.2规定了关于试验载体特性和文件的附加指导采用等效样件时，顾客应分析其冷却速率、合金化温度、管脚间距等属性。如等效样件的属性存在差异，顾客应降低其导致的评估风险，并做好记录。5.2.2
样本量
根据样本量和分析计划的统计结果确定试验载体的数量，附录A提供了确定样本量的详细说明。注：IPC-9701A中试验样本不宜少于33个。5.3热老化预处理方法
5.3.1概述
可参考IPC-9701A中规定的方法，在对样品施加温度循环、振动、机械冲击等环境应力，模拟寿命周期内的影响。恒温老化方法可能无法诱发所有代表性应用环境和加工条件（烘烤、老化、环境压力筛选、现场使用和储存等）下发生的变化，在设计试验方案和分析试验结果时，宜对不同的程序设置不同的时间和温度组合条件。
热老化加速模型
恒温老化预处理的加速模型见公式（1）：AF=exp(元)
式中：
加速因子（无量纲）：
以K为单位的测试温度（通用条件下为100℃，等效为373.15K)；T
使用温度，单位为摄氏度（℃）；E
激活能（eV）；
玻尔兹曼常数（8.620X10-5）eV/K。宜使用实测结果，对于大多数金属，E，通常为0.91.0。注：E，基于特定的材料属性。
.........(1)
每种机理（如晶粒生长、金属间化合物生长等）均具有相应的E。，通过测试或分析可得到各自的E，或总的E，。
在机械振动和冲击鉴定试验前，恒温老化可作为预处理手段，详细要求可参考相关标准。加速模型也可选择其他适用的模型。5.3.3通用测试参数
试验载体应在100℃下进行24h的恒温老化。必要时，可对预处理的量值进行剪裁，以满足特定测试程序的目标。
GB/T41275.3—2022
5.4温度循环试验方法
5.4.1试验参数
应按照IPC-9701A：2006中3.4.3、5.1和5.2的要求确定温度循环试验参数，测试温度范围和热循环测试停留时间应符合IPC-9701A：2006中3.4.3、5.1和5.2的规定。测试监控要求应符合IPC9701A：2006中表4-4的要求。常规试验温度范围应为一55℃～125℃.循环次数应不少于1000次，温变率应小于20℃/min，停留时间应不小于15min。按照IPC-9701A的要求，CCA应在停留时间内达到规定的温度。只有在材料表征或数据支持更改时，才能使用与上述要求不同的温变率，具体要求按6.3。注：选择一55℃的下限值是基于军用要求（如低温性能要求、低温贮存要求等）。用户可根据实际使用需求确定加速因子，见6.3.1。因此，一55℃适用于“通过/不通过”型试验，即直接性能试验5.4.2试验时间
使用试验时间（或温度循环次数)评估对应环境下样品的预期性能，宜持续进行试验直至全部样品失效，或者失效样品数超过75%。标准持续时间宜为1000次循环所用时间。注：IPC-9701A：2006的表4-1规定了持续时间值的选取指南。5.4.3失效判定和分析
失效判定可按下述方法之一进行，并做好记录：a）按IPC-9701A：2006中4.3.3的规定来定义和监测故障；b）在测试过程中连续监测功能性CCA的电气性能；c）对于锡铅焊料，可采用光学手段进行失效分析（不适用于无铅焊料）。应结合试验方案开展失效分析，每类试验载体至少应包含三个元器件。分析得到的敌障一般包括早期故障、接近统计拟合的故障，以及偏离统计拟合的故障。失效分析的主要内容包括：失效是否与焊料互连相关；
失效是否与封装或电路板相关；—失效是否与焊料完全无关：
一分析确定焊点失效发生的位置，区分焊料的断裂模式。5.4.4加速模型
温度循环试验加速模型的常规形式见公式（2）：AF:
式中：
加速因子；
测试中的温度循环范围，单位为摄氏度（℃）；4T
△T2使用温度范围，单位为摄氏度（℃）；c指数（疲劳延性指数），取决于材料和封装，如引线的有无。顾客应根据疲劳延性指数选择适当的数值，附录B给出了无铅焊料的材料特性。·（2)
该模型假定除试验载体和实际产品间的温差外，试验条件和使用条件之间的差异对加速因子没有显著影响。
如存在温差以外的其他差异影响，可根据使用的焊料材料特性对公式（2)进行校正。对于部分焊接材料，加速因子方程或值的影响因素包括：4
极限温度的持续时间；
器件封装，包括芯片尺寸：
PCB/PWB附件设计（焊盘尺寸)；c)
焊料厚度；
PCB/PWB热机械特性（CTE、刚度、厚度等）；e)此内容来自标准下载网
热升温速率；
涂层材料；
涂覆工艺方法。
附录B给出了修正SAC305加速方程的应用测试示例。5.5振动试验
GB/T41275.3—2022
试验前，样品应按5.3进行预处理。如需开展加速试验，应按照PC-SM-785的要求执行。如需施加较大裕度的应力水平，则应按照MIL-STD-810G的要求执行。如所引用的标准要求与特定产品或系统的要求之间存在冲突，顾客应进行分析确认后选取合理依据进行相应处理。5.6机械冲击
试验前，样品应按5.3进行预处理。如需开展加速试验，则应按照IPC-SM-785的要求执行。如需开展中等程度的冲击，则应按照JESD22-B110A的要求执行。如需施加较大裕度的应力水平，则应按照MIL-STD-810G的要求执行。如所引用的标准要求与特定产品或系统要求之间存在冲突，顾客应进行分析确认后选取合理依据进行相应处理。注：IPC/JEDEC-9703对冲击试验的剪裁进行了详细说明。5.7
综合环境试验
综合环境试验暂无通用方法。顾客可按6.6将相关信息和方法作为试验大纲编制的依据。5试验规程
6.1通则
结合设备使用的各“特定的焊料一板钝化一引出端涂层”组合、元器件不同的封装类型和方式，以及硅片（管芯）的封装比率（封装尺寸，例如芯片尺寸），明确设备到寿时，焊点的失效率以及典型的累积环境效应，合理评估设备性能。
注：航空航天和军事应用可能包含以下环境条件：周期性的快速温变，长时高温，大量值振动；持续性的中等温度下（一次持续几年)但要承受偶发的高强度机械冲击。不同的持续时间和温变率，对于不同的焊料类型、材料组成、衬底特性和元件类型会产生不同的结果。进行性能测试前，应获取足够多的焊料特征参数（材料属性）。对于未知材料，结合特定需求（如建立可靠性模型），通过材料特性的鲁棒性试验以获取相关特性参数，批量的试验样品宜尽可能使用实际的焊接试验板，提升结果的准确性。6.2试验载体
要求同5.2.1。