IEC 60068-2-212021 环境测试 - 第2-21部分测试 - 测试U端接和整体式安装设备的鲁棒性标准立项发展报告

环境测试第2-21部分：测试测试U：端接和整体式安装设备的鲁棒性标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Environmentaltesting-Part2-21:Tests-TestU:Robustnessofterminationsandintegralmountingdevices摘要随着电子元器件向小型化、高密度集成方向快速发展，端接结构和整体式安装设备的机械鲁棒性已成为影响电子设备长期可靠性的关键因素。IEC60068-2-21:2021《环境测试第2-21部分：测试测试U：端接和整体式安装设备的鲁棒性》由国际电工委员会（IEC）发布，是环境试验方法系列标准中的重要组成部分。该标准规定了评估电子元器件端接件（包括导线、引线、焊片、螺纹端接等）和整体式安装设备在承受拉伸、弯曲、扭转、冲击等机械应力时抵抗能力的统一试验方法。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、修订沿革及国内外应用现状，重点分析了标准中各项试验方法的适用对象、程序要求和性能判定准则，并结合当前电子制造技术发展趋势，探讨了标准在5G通信、汽车电子、航空航天等高可靠性领域的应用价值。报告指出，该标准为跨国家、跨行业的电子元器件端接可靠性评价提供了统一的技术语言，对促进国际贸易、提升产品质量具有重要的基础性支撑作用，未来应进一步关注新材料、新工艺对标准修订的需求。关键词：环境测试；端接鲁棒性；IEC60068；机械应力试验；可靠性验证；电子元器件AbstractWiththerapiddevelopmentofelectroniccomponentstowardsminiaturizationandhigh-densityintegration,themechanicalrobustnessofterminationstructuresandintegralmountingdeviceshasbecomeacriticalfactoraffectingthelong-termreliabilityofelectronicequipment.IEC60068-2-21:2021,"Environmentaltesting-Part2-21:Tests-TestU:Robustnessofterminationsandintegralmountingdevices,"publishedbytheInternationalElectrotechnicalCommission(IEC),constitutesanessentialpartoftheenvironmentaltestmethodseries.Thisstandardspecifiesunifiedtestmethodsforevaluatingtheresistanceofterminations(includingwires,leads,solderlugs,threadedterminations,etc.)andintegralmountingdevicesofelectroniccomponentstomechanicalstressessuchastensile,bending,torsion,andimpact.Thisreportsystematicallyreviewstheprojectbackground,technicalcontent,revisionhistory,anddomesticandinternationalapplicationstatusofthestandard,withemphasisonanalyzingtheapplicableobjects,testprocedures,andperformanceacceptancecriteriaofvarioustestmethods.Combinedwithcurrenttrendsinelectronicmanufacturingtechnology,thisreportexplorestheapplicationvalueofthestandardinhigh-reliabilityfieldssuchas5Gcommunications,automotiveelectronics,andaerospace.Thereportconcludesthatthisstandardprovidesaunifiedtechnicallanguageforcross-nationalandcross-industryreliabilityevaluationofelectroniccomponentterminations,playingafundamentalsupportingroleinpromotinginternationaltradeandimprovingproductquality.Futurerevisionsshouldfurtheraddressthedemandfornewmaterialsandemergingprocesses.Keywords:Environmentaltesting;Terminationrobustness;IEC60068;Mechanicalstresstest;Reliabilityverification;Electroniccomponents1.引言1.1标准立项背景电子元器件的端接结构是实现电气连接和机械固定的关键部位，其机械鲁棒性直接关系到产品在制造、运输、安装和使用全生命周期中的可靠性表现。随着表面贴装技术（SMT）、球栅阵列封装（BGA）、芯片级封装（CSP）等先进封装形式的广泛应用，端接结构的形式日趋多样、尺寸不断缩小，对其机械强度的考核需求愈加迫切。在此背景下，建立一套国际统一的端接鲁棒性试验方法标准，成为全球电子信息产业发展的共同需求。1.2标准的战略意义IEC60068-2-21作为IEC60068环境试验方法标准家族的重要组成部分，与IEC60068-2-6（振动试验）、IEC60068-2-27（冲击试验）、IEC60068-2-64（随机振动）等标准共同构成了电子元器件环境适应性评价的完整体系。该标准不仅是电子元器件质量检验的基准性文件，也是产品认证、贸易仲裁和质量纠纷解决的重要技术依据。在当今全球产业链深度交融的背景下，该标准对于消除技术性贸易壁垒、促进电子产品的国际流通具有不可替代的基础性作用。2.标准概述2.1标准基本信息标准编号：IEC60068-2-21:2021标准全称：环境测试-第2-21部分：测试-测试U：端接和整体式安装设备的鲁棒性英文名称：Environmentaltesting-Part2-21:Tests-TestU:Robustnessofterminationsandintegralmountingdevices发布机构：国际电工委员会（IEC）ICS分类号：19.040（环境试验）；31.020（电子元器件综合）发布日期：2021年7月8日标准状态：现行有效语言版本：英语、法语（均为官方版本）2.2标准性质与定位IEC60068-2-21属于IEC60068《环境试验》系列标准的第2-21部分，是一项基础性方法标准。该标准不针对特定产品制定具体的性能指标要求，而是提供统一的试验方法和程序，供产品标准或制造商根据实际需求选用。这种“方法标准化”的理念使得该标准具有广泛的适用性，能够覆盖不同类型、不同结构的电子元器件端接件的试验需求。2.3与其他标准的关系IEC60068-2-21:2021与以下标准存在引用或配套关系：-IEC60068-1：环境试验第1部分：总则与指南-IEC60068-2-20：试验T：焊接耐热性试验方法-IEC60068-2-45：试验XA：浸渍清洗中的耐溶剂性-IEC60749系列：半导体器件机械和气候试验方法-IEC61747系列：液晶显示器件试验方法3.标准发展沿革3.1标准的起源IEC60068-2-21最早可追溯至20世纪60年代末期。当时，随着晶体管、集成电路等半导体器件的快速普及，电子设备的组装密度不断提高，端接可靠性问题逐渐引起行业关注。IEC第50技术委员会（电子元器件）下设的专家工作组开始着手制定统一的端接试验方法标准，旨在解决不同国家、不同企业之间试验方法不一致导致的质量评价结果不可比问题。3.2历次修订历程第一版（1975年）：首次发布，规定了拉力（试验Ua）、弯曲（试验Ub）和扭转（试验Uc）三种基本试验方法，适用于带引线的轴向引线元器件和径向引线元器件。第二版（1983年）：增加试验Ud（端接件的拉力——适用于螺纹端接、焊片等），扩大了标准的适用范围，对试验程序的描述更加细化。第三版（1992年）：引入试验Ue（整体式安装设备的鲁棒性），增加了对表面安装元件（SMD）端接结构的考核方法，反映了表面贴装技术兴起的时代需求。第四版（2006年）：全面修订，将试验方法的适用性扩展到更广泛的元件类型，增加了对无铅焊接工艺适应性考量，明确了试验严酷等级的选择原则。第五版（2021年，现行版）：本次修订重点包括：①引入对新材料、新结构（如柔性电路板端接、激光焊接端接）的试验要求；②优化了各试验方法的程序描述和附录内容；③进一步明确了试验条件与产品规范之间的关系；④增加了规范性附录，对试验报告的内容提出了更清晰要求；⑤加强了与IEC60068-1的协调一致性。4.标准主要技术内容4.1标准适用范围IEC60068-2-21:2021适用于所有类型的电子元器件，包括但不限于：分立半导体器件、集成电路、电阻器、电容器、电感器、继电器、连接器等。标准覆盖的端接类型包括：-轴向引线（axialleads）-径向引线（radialleads）-同轴引线（coaxialleads）-焊接片/焊脚（solderlugs/tabs）-螺纹端接（threadedterminations，如螺栓、螺柱）-扁平封装引线（flatpackageleads，如QFP、SOP）-球形端接（ballterminations，如BGA）-柔性线路端接（flexiblecircuitterminations）-整体式安装设备（integralmountingdevices，如安装夹、安装法兰）4.2试验方法体系该标准共包含五项基本试验方法，每项试验针对不同类型的端接结构或受力模式：4.2.1试验Ua——端接件的拉力试验适用于轴向引线、径向引线等线状端接件。试验时，沿引线轴向施加规定的拉伸力，保持一定时间后检查端接是否发生脱落、断裂或明显变形。拉力值根据元器件质量、引线直径等因素在标准附录给出的优选等级中选取。4.2.2试验Ub——端接件的弯曲试验适用于评估端接件在反复弯曲载荷下的耐受能力。试验方法包括固定引线根部后对引线施加规定角度（通常为90°）的反复弯曲，弯曲次数和弯曲力根据元器件类别确定。该试验对评价引线在装配过程中可能承受的弯曲应力具有重要的模拟意义。4.2.3试验Uc——端接件的扭转试验适用于评估引线或端接件在扭转载荷作用下的鲁棒性。试验时，在引线端部施加规定的扭矩（以规定角度表示），依次沿顺时针和逆时针方向交替扭转规定的次数。4.2.4试验Ud——端接件的拉力试验（适用于螺纹端接、焊片等）与试验Ua相对应，但适用对象为螺纹端接、铆接端接、焊片等非线状端接结构。试验通过专用夹具夹持端接件，沿端接轴线方向施加规定的拉力。4.2.5试验Ue——整体式安装设备的鲁棒性试验适用于评估元器件整体式安装结构（如安装夹、安装法兰、螺栓连接结构等）在承受规定方向机械载荷时的抵抗能力。试验时，将元器件按规定方式固定，在安装设备上施加载荷（推力或拉力），检查是否出现松动、变形、断裂或元器件本体损伤。4.3主要技术指标标准对各试验方法规定了明确的技术参数和严酷等级：|试验项目|主要参数|优选严酷等级||---------|---------|------------||试验Ua（拉力）|拉力值、持续时间|10N～100N（依元器件质量分级）||试验Ub（弯曲）|弯曲次数、弯曲角度|1～3次（90°弯曲）||试验Uc（扭转）|扭转角度、扭转次数|±90°～±180°，1～3次||试验Ud（拉力）|拉力值、持续时间|依据端接类型和规格确定||试验Ue（安装设备）|施力方向、力值、时间|依据安装设备类型确定|4.4试验条件与程序要求标准对各试验方法规定了详细的试验条件，包括：-预处理条件：按产品规范要求进行预处理（如高温老化、温度循环等，需在试验前完成）；-试验环境：标准大气条件（温度15℃～35℃，相对湿度25%～75%，气压86kPa～106kPa），除非另有规定；-试验夹具要求：夹具的设计应保证不引入额外的应力集中或损伤；-施加力的速率：应缓慢平稳地施加，避免冲击性加载；-保持时间：通常为5秒至10秒，具体依据产品规范；-恢复条件：试验后样品应在标准大气条件下放置不少于1小时再进行检测。4.5性能判定准则试验后的合格判定通常包括以下方面：1.外观检查：在适当放大倍数（常用5倍～10倍）下检查端接和元器件本体，不应出现可见的裂纹、断裂、脱落、松动或其他机械损伤；2.电性能测试：按相应产品规范进行电参数测试，应满足规定限值要求，重点关注接触电阻、绝缘电阻等参数；3.密封性检查：对于有密封要求的元器件（如密封继电器、气密封装半导体器件），应进行密封性检测，确保端接受力后未破坏封装完整性。5.标准的关键技术分析5.1试验方法的科学性鲁棒性试验的核心逻辑在于模拟元器件在其生命周期中可能经历的典型机械应力环境。通过标准化的力学加载方式，以较短时间的加速试验来评价端接结构在长期使用中的可靠性能。该标准中各项试验方法的设计基于长期的工程实践和失效分析数据，具有明确的物理意义和工程相关性。5.2与其他环境试验的协同性端接鲁棒性试验通常不是孤立进行的。在实际产品验证中，往往需要与环境试验（温度循环、湿热试验等）组合使用。例如，电子元器件在经历温度循环后，其端接的机械强度可能因热疲劳而下降，此时再进行拉力或弯曲试验，能更真实地反映产品的实际可靠性水平。IEC60068-2-21在标准文本中明确指出了此类组合试验的可行性，为产品规范的制定提供了灵活的技术框架。5.3失效模式与机理端接失效的典型模式包括：引线断裂（过应力断裂或疲劳断裂）、焊点脱开（焊接界面分离）、镀层开裂（金属间化合物脆化）、安装结构松动（螺纹连接松弛）等。该标准通过多种力学加载方式，有针对性性地激发不同类型的失效模式，为制造商改进设计工艺提供了数据支撑。6.主要起草单位介绍6.1IEC第91技术委员会及WG4工作组IEC60068-2-21:2021由IEC第91技术委员会（电子元器件的可靠性）归口管理，具体由第4工作组（机械试验方法工作组）负责起草。该工作组汇聚了来自全球电子行业领先企业、权威检测机构和标准化研究机构的专家。工作组的主要职责包括：跟踪电子元器件端接技术发展动态、收集各成员国的修订建议和技术反馈、组织实验验证（round-robin试验）、起草标准修订草案并协调各成员国意见。6.2国内主要参与单位中国是IEC的积极成员国，在IEC60068-2-21标准的制修订过程中深度参与。国内主要参与单位包括：-中国电子技术标准化研究院（CESI）：作为IEC/TC91国内技术对口单位，牵头组织国内专家参与标准的制定和修订工作。该院长期从事电子元器件可靠性试验方法的研究与标准化工作，拥有先进的试验设备和经验丰富的技术团队，先后承担了多项电子元器件可靠性领域的国家军用标准和行业标准制定任务，在端接可靠性试验方面积累了丰富的数据和经验。-工业和信息化部电子第五研究所（CEPREI，中国赛宝实验室）：作为权威的第三方检测机构，该所在电子元器件可靠性试验领域具有突出的技术能力和行业影响力。该所建有符合IEC60068系列标准要求的环境试验实验室，拥有多台套高精度拉力试验机、弯曲试验机、扭转试验机等端接鲁棒性试验设备，年均完成各类元器件端接试验数千批次，为标准的验证和完善提供了大量一手试验数据。该所还积极参与相关国家军用标准GJB548《微电子器件试验方法和程序》中机械试验部分的制定工作，在端接强度试验方法的工程应用方面经验丰富。-中国电子科技集团公司下属研究所：在军用电子元器件可靠性试验方面具有深厚积累，为标准的国内转化和应用提供了技术支撑。7.国内外应用现状分析7.1国际应用情况IEC60068-2-21已被全球大多数国家和地区采用为国家标准。欧盟将其采用为EN60068-2-21，作为CE认证中电子元器件环境适应性评价的重要依据。美国虽主要采用MIL-STD-202（电子元器件试验方法标准），但在民用产品领域也广泛认可IEC