《无铅波峰焊设备侵蚀测试方法选择指南》

1无铅波峰焊设备的侵蚀测试方法—侵蚀测试方法选择指南本文件描述了一种适当的评估测试方法的选择方法，用于评估金属材料（无表面处理或经过表面处理）在无铅波峰焊设备中作为焊锡槽或其他与熔融焊料接触部件时的抗侵蚀性能。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。IEC60068-2-20:2008环境试验—第2-20部分：试验—试验T：带导线器件的可焊性及耐焊接热性的试验方法IEC61190-1-3电子组装用附件材料—第1-3部分：电子级焊料合金及含助焊剂与不含助焊剂的固体焊料的要求IEC62739-1:2013使用熔融无铅焊料合金的波峰焊设备的侵蚀试验方法第1部分：未经表面处理的金属材料的侵蚀试验方法IEC62739-2:2016使用熔融无铅焊料合金的波峰焊设备的侵蚀试验方法第2部分：经表面处理金属材料的侵蚀试验方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1侵蚀erosion基材与熔融焊锡接触而溶解变薄的现象。[来源：IEC62739-1:2013,3.1]3.2无铅焊料lead-freesolder铅（Pb）含量不超过0.1%质量分数的合金，作为其组成成分，用于将元器件焊接至基板或进行表面涂层。[来源：IEC60194:2015,75.1904，有修改–采用“质量分数”替代“重量”，并增加“作为其组成成分”。]3.3废料dross熔融焊料表面形成的氧化物和其他污染物[来源：IEC60194:2015,75.0410]2图1为波峰焊设备示意图，其中显示了待评估的焊锡槽和辅助设备。表1显示了侵蚀位置以及问题示例。GB/T(Z)XXXX.1和GB/T(Z)XXXX.2中规定的测试旨在通过评估材料和其他金属部件（包括表面处理）的抗侵蚀能力，为焊锡槽和其他金属部件提供一个适当的维护检查周期和更换周期。除持续时间外，GB/T(Z)XXXX.1和GB/T(Z)XXXX.2中规定的熔融焊料温度和旋转速度等测试条件都是预先确定的。因此，侵蚀发生时间会根据所采用的金属类型和表面处理工艺而变化。为此，需要预先设定适当的测试时间，以便清楚地识别未侵蚀区域，未侵蚀区域是焦点深度法侵蚀深度的基础，也用于通过侵蚀深度来判别试件的金属类型和所采用的表面处理工艺。图1波峰焊设备示意图表1侵蚀位置及问题示例3表1侵蚀位置及问题示例（续）5选择合适侵蚀试验方法5.1试验方法与现场所受应力的相关性表2显示了试验方法与现场所受应力之间的相关性，同时标明了适用的材料。表2试验方法与现场所受应力之间的相关性在450℃下进行旋转试验450℃弯曲2mm旋转试验种金属材料的足够测试时长。对于经表面处理的金属面处理工艺的足够测试时长。对于未经表面处表面处理工艺的足够测试时长。对于未经表面处理的金5.2按材料推荐的试验方法表3显示了一种适当的测试方法，这取决于所使用的焊锡槽和辅助设备所用的材料。表3适用的测试方法取决于材料无ABB无ABB钛无ABB无ABB4表3适用的测试方法取决于材料（续）BAABAA表面处理分为表面扩散型和涂层型，前者通过向基体中扩散其他材料（例如氮等元素）形成表面处理层，后者在材料表面形成覆盖涂层。下面给出每种类型的示例。表面扩散类型：氮超饱和固溶扩散处理、渗氮扩散渗透、气体渗氮、氮碳共渗、等离子渗氮涂层类型：化学致密化工艺制备的精细陶瓷涂层、物理气相沉积(PVD)法CrN涂层、热喷涂氧化铝涂层。6每种测试方法的通用项目6.1试件制备a）试件的成形通常采用冲压机冲压成形。但对钛合金、铸铁等高硬度材料（不适用冲压时应该改用切削加工。b）试件成形过程中产生的毛刺等可能导致侵蚀，应该通过倒角等方法去除。c）必要时，应在a)和b)工序后进行表面处理。d）试件制作完成后，应小心处理，避免油污或其他污染物污染试件，否则会影响试验结果。6.2焊合金除非另有规定，否则应使用IEC61190-1-3标准规定的Sn96.5Ag3Cu0.5焊料合金。若锡（Sn）纯度过高，可能导致短时间内发生侵蚀现象，致使测试结果失准。6.3加速测试条件6.3.1试验设备说明测试温度按下列标准规定执行1）GB/T(Z)XXXX.1标准：350℃±3℃;（2）GB/T(Z)XXXX.2标准：450℃±3℃。上述温度参数的设定依据如下：确保通过焦深法可清晰识别用于侵蚀深度基准的非侵蚀区域;通过试样侵蚀深度差异区分金属材料及表面处理工艺。所有测试须预先设定符合金属材料及表面处理特性的足够持续时间（参见附录A）。6.3.2旋转速度在旋转试件的过程中，熔融焊料合金与试件之间的速度差被视为波峰焊设备中熔融焊料的流动速度。所有测试方法均规定转速为100r/min±3r/min。若转速低于该规定值，则熔融焊料的相对流动速度将低于实际生产过程中的速度，因此该条件不能视为对实际生产中焊料流动速度的加速模拟；5相反，若转速高于规定值，则熔融焊料本身会开始旋转，导致其与试件之间的相对速度差减小，这种情况同样不能视为对实际生产中熔融焊料流动速度的有效加速。6.3.3试件弯曲应力若450℃旋转测试耗时过长，需采用进一步加速措施。根据GB/T(Z)XXXX.2标准规定，在450℃旋转测试中施加2mm弯曲应力作为附加加速条件。1毫米弯曲应力不足以加速侵蚀的发生（见条款A.2）。超过2毫米的弯曲应力会导致试件永久变形，影响焦深法对侵蚀深度的测量。6.4熔渣6.4.1熔渣产生及清除间隔测试温度越高且转速越快，熔融焊料的氧化加剧将导致更多锡渣产生。相较于350℃旋转测试，450℃测试产生的锡渣量更大。但通过每16小时清除一次锡渣，两种测试均可避免起火或溢流等问题。为减少锡渣，采用氮气保护气氛具有优势，但需配置氧分压调节等复杂设备系统。鉴于通过上述定期清渣方式即可完成测试，故不推荐采用氮气保护方案。6.4.2熔渣去除方法除渣作业应在电机停止旋转后进行，需使用专用工具（例如带多孔结构的不锈钢舀勺，如图2所示）。必须采取隔热手套、防护面罩及防尘眼镜等防护措施，确保操作人员免受高温及空气中金属粉尘的危害。清除的熔渣应装入密闭容器，最大限度减少金属粉尘飞溅。6.4.3除渣后熔融焊料容量除渣作业完成后，应检查焊锡槽内熔融焊料容量，确保达到规定的浸渍深度。若熔融焊料容量不足，须相应补充焊锡合金。66.5侵蚀深度测量方法6.5.1测试后处理若焊料残留，测量前应加热试样并擦拭清除，或采用酸洗处理（例如使用5%的稀盐酸，在20℃下6.5.2局部侵蚀深度6.5.2.1侵蚀深度定义凹坑状侵蚀深度的通用计算公式定义为D=(D0___UT)+D,，如图3所示。图3侵蚀深度定义示意图6.5.2.2焦深法侵蚀深度测量根据GB/T(Z)XXXX.1和GB/T(Z)XXXX.2规定的测试方法，由于试样尺寸较小，难以使用深度规进行测量，故采用光学测量法。光学测量法包含多种方法（参见附录B），其中焦深法是利用光学显微镜进行测量的方法，且该类显微镜成本相对较低。焦深法测量侵蚀深度的基本原理基于以下假设：试验后试样厚度保持不变；在同一观测视场内可观察到未发生侵蚀的区域。如图4所示，D0等于UT,D等于D,。7）；图4通过焦深法对侵蚀深度的示意定义6.5.2.3焦深法侵蚀深度表示方法如需进行精确测量，应分别测试试验前后的试样厚度，并按图3定义计算侵蚀深度。若试样厚度在试验前后保持不变，则可根据图4定义，直接采用测量值作为侵蚀深度。图5所示为典型局部蚀损示例。图5局部侵蚀的例子6.5.2.4评估区域蚀损状态取决于试样在焊锡槽中的浸入位置。因此，应按图6所示，在每3个评估区域的5个测量点进行数据采集及统计分析。在进行对比评估时，可采用最大值（即最深侵蚀深度）作为代表性数据。8图6评估区域示例6.5.3整体（均匀）侵蚀深度6.5.3.1非侵蚀区的存在性当存在如图7所示、与侵蚀区域处于同一观测视场的非侵蚀区域时，可按6.5.2节所述的焦深法测量侵蚀深度。9图7存在非侵蚀区域的示例6.5.3.2非侵蚀区域的缺失情况如图8所示，当试样发生整体侵蚀且邻近无残留非侵蚀区域时，侵蚀深度应定义为试验前后试样厚度差值。试样厚度可采用平面观测法测量，具体方法如下：通过侧视角度观测试样或仅在试验后观测试样的（经切割抛光的）横截面。图8非侵蚀区域的缺失示例及横截面示例(1侵蚀区域)6.5.4评估准则侵蚀深度值越大，则判定结果越显著。本试验方法不用于合格性判定，而是通过相对比较评估部件的合理维护周期，以防止熔融焊料泄漏或火灾等事故（典型问题示例见表1）。7测试方法概述7.1测试方法测试方法的概述分别在第7.2节和第7.3节中给出。7.2未经表面处理的金属材料7.2.1概述针对未经表面处理的金属材料的侵蚀试验，旨在通过测量在350℃旋转试验中产生并逐渐加深的侵蚀深度，来确定其侵蚀程度。试件表面的某些层，如不锈钢上形成的氧化层，可能会在实际生产过程中被使用的助焊剂化学去除，从而影响侵蚀速率。因此，对未经表面处理的试样进行试验时，应使用表4中规定的助焊剂（见附录C.1）。7.2.2350℃时的旋转试验350℃±3℃的旋转试验适用于未经表面处理金属材料的侵蚀评估。如图9所示，将试样固定在旋转块上，然后浸入350℃±3℃的熔融焊料中，随后以100r/min±3r/min的转速旋转，测量试验过程中产生的侵蚀深度。表4列出了试验条件概要。为促进侵蚀（参见附录C.1需将试样浸入助焊剂数秒，去除多余助焊剂后，在空气中悬挂5试验方法细节按GB/T(Z)XXXX.1标准规定执行。图9测试设备配置示例表4350℃旋转试验的试验条件7.3经表面处理的金属材料7.3.1试验方法经表面处理的金属材料侵蚀试验，是通过450℃旋转试验产生并增加的侵蚀深度测量来确定侵蚀程度；如需进一步加速侵蚀过程，可采用450℃下施加2mm弯曲变形的旋转试验方法。7.3.2450℃时的旋转试验450℃±3℃旋转试验适用于经表面处理金属材料的侵蚀评估。如图9所示，将试样固定于旋转块，浸入450℃±3℃熔融焊料后，以100r/min±3r/min转速旋转，进而测量试验过程中产生的侵蚀深度。试验条件概要如表5所示。试验方法的具体内容依据GB/T(Z)XXXX.2标准执行。表5450℃旋转试验的试验条件73.3450℃弯曲2mm旋转试验若450℃旋转试验耗时过长以致难以评估侵蚀情况，需进一步加速试验时，应按图10所示对试样施加2mm弯曲应力。试验方法细则详见GB/T(Z)XXXX.2标准。试验温度、试验持续时间和弯曲应力的选择A.1未经表面处理的试件在未经表面处理材料的侵蚀试验中，熔融焊料温度、旋转速度等参数应固定作为试验条件。这些条件应通过采用图A.1所示试样进行预侵蚀试验予以确定，试验过程中需观察侵蚀现象及浮渣生成情况。图A.1预试验试件构型熔融焊料温度及旋转速度对侵蚀深度的影响分别如图A.2和图A.3所示。该数据基于图A.1所示试样进行侵蚀试验所得结果，其中"水平"、"垂直"及"弯曲"区域定义参见图A.1。试验表明，熔融焊料温度越高、旋转速度越快，则侵蚀深度越深。换言之，熔融焊料温度与旋转速度均会显著影响未经表面处理金属材料的侵蚀行为。另一方面，随着熔融焊料温度升高和旋转速度加快，主要成分为氧化锡的浮渣生成量也随之增加。此过程需额外进行浮渣清除及焊料补充等操作。因此，在确定侵蚀试验条件时，应综合考虑侵蚀加速效果与试验安全性及效率。经预试验结果评估，最终规定试验温度应为350℃±3℃,旋转速度应图A.2侵蚀深度与熔融焊料温度的关系图A.3侵蚀深度与转速的关系浸入时间与侵蚀深度的关系如图A.4所示。浸入时间越长，侵蚀深度越大。通常，较大的侵蚀深度能更显著地体现不同材料的侵蚀差异。另一方面，本试验推荐采用普通光学显微镜的焦深法作为侵蚀深度测量方法。该方法要求在试验后，试样表面必须保留未侵蚀区域作为测量基准面。由于不同材料的侵蚀现象存在差异，应预先规定适宜的试验持续时间。例如，在标准试验条件下，不锈钢材料（如SUS316、SUS304等）的典型试验持续时间约为200小时。图A.4侵蚀深度与浸泡时间的关系A.2经表面处理的试件根据GB/T(Z)XXXX.1标准规定，未经表面处理材料的侵蚀试验条件为熔融焊料温度350℃±3℃。该温度条件下，表面处理材料难以进行有效的侵蚀试验。试验表明，表面处理材料在350℃条件下即使持续1000小时也可能不出现侵蚀现象。因此，为有效评估工艺性能，需通过热应力或机械应力等方式促进侵蚀发生。表A.1展示了气体渗氮和氮碳共渗处理材料的侵蚀试验结果。气体渗氮材料的试验结果表明：无论基材种类如何，试验温度越高，侵蚀发生时间越短。相同温度下，施加弯曲应力可缩短侵蚀发生时间。对于SUS304基材，弯曲量对侵蚀的影响规律尚不明确；而SUS316基材的侵蚀发生时间随弯曲量增加而缩短。氮碳共渗材料受温度应力的影响显著大于弯曲应力。如上所述，对表面处理材料进行数百小时的侵蚀试验时，建议联合采用温度应力和弯曲应力，但应严格控制应力大小，确保测试材料的微观结构与实际波峰焊设备的工况保持一致，避免过度应力导致材料组织结构发生异常变化。表A.1气体渗氮和氮碳共渗材料的侵蚀试验结果无无表A.1气体渗氮和氮碳共渗材料的侵蚀试验结果（续）无无无无表A.2显示了涂层型表面处理材料的侵蚀试验结果。对于涂层型表面处理，不同涂层类型的侵蚀发生情况存在明显差异。在450℃试验条件下，采用化学致密化工艺制成的精细陶瓷涂层在首次观察周期（150小时）即发生侵蚀，而采用物理气相沉积（PVD）法的氮化铬（CrN）涂层和热喷涂氧化铝涂层在整个试验期间均未出现侵蚀现象。即使在试验中施加额外弯曲应力或将温度提高至500℃,这些涂层仍未在试验期间出现侵蚀。此外，基材为SUS304和SUS316之间也没有差异。在本次侵蚀试验范围内，侵蚀的发生与否存在显著区别，这主要是由于涂层表面现有裂纹与熔融焊料的相互作用影响。表A.2涂层型表面处理材料的侵蚀试验结果无无无无无无无无最大深度和其他测量值B.1概述金属侵蚀的定量评估方法主要包括质量损失（质量变化）测量和侵蚀深度测量两种。B.2最大深度测量最大深度的测量方法如表B.1所示。该表同时列出了各测量方法对应的测量平面、方法特征及测量精度。表B.2则展示了多种观测设备的示例及其观测状态、测量条件和测量数据。表B.1测量方法、特征指标与准确度上表B.2测试设备示例附录C侵蚀机制C.1未经表面处理试件当固态金属浸入熔融金属或与熔融金属接触时，在润湿作用后，固态金属将溶解于熔融金属中，即使温度低于固态金属的熔点仍会发生侵蚀。例如在约250℃的焊接温度下，铜（Cu）、镍（Ni）、金（Au）等金属会迅速溶解到熔融焊料中。波峰焊设备中未经表面处理的金属材料侵蚀即为此类金属溶解现象。即使具有致密表面氧化层和良好耐蚀性的不锈钢，其表面氧化层也可能遭破坏。一旦发生，熔融焊料润湿将引发侵蚀。实际上，氧化层的破坏通常发生在局部区域，因此不锈钢的侵蚀往往呈不均匀局域性。导致表面氧化层破坏的原因包括热、机械和化学因素。热和机械因素包括熔融焊料及材料表面的温度、熔融焊料的流速、与浮渣的摩擦以及弯曲与拉伸应力；化学因素主要指焊接过程中使用的助焊剂。C.2经表面处理试件对于渗氮等原子扩散型表面处理材料，侵蚀按以下步骤发生（参照图C.1）：a）渗氮层的表面层剥落，熔融焊料润湿渗氮层；b）锡（Sn）扩散至渗氮层形成锡扩散层，同时基体金属化合物向熔融焊料扩散熔解；熔融焊料与锡扩散层（原渗氮层）界面生成铁锡（Fe-Sn）系化合物；c）锡扩散层覆盖整个渗氮层；d）锡扩散层与基体界面形成富锡贫铬（Cr）区；e）富锡区向基体生长，侵蚀始于锡扩散层（原渗氮层）下方；f）位于富锡区和熔融焊料之间的锡扩散层（原渗氮层）被破坏，从而加剧侵蚀。步骤f)后可通过目视检查观测侵蚀。步骤e)前因仅外观变色难以确认，但基体侵蚀实际始于步骤陶瓷层等耐热涂层型表面处理的侵蚀机理异于上述扩散型：涂层缺陷处产生裂纹，熔融焊料渗入裂纹导致侵蚀发生。图C.1渗氮材料侵蚀机理示意图C.3补充说明关于不锈钢等离子渗氮材料在熔融Sn-Ag-Cu无铅钎料中侵蚀行为的详细信息，参见参考文献中NaoyaMatsubara等人的研究。侵蚀的热加速效应D.1未经表面处理试件用于波峰焊设备中未经表面处理的金属材料，即C.1条款所述的固态金属溶解于熔融金属（钎料合金）的熔融现象。固态金属向熔融金属的溶解速率基本表达式如公式(D.1)所示：=kCs__C)C——反应时间后金属液中溶质含量；k——溶解速率常数；A——固/液界面反应面积；V——熔融焊料的体积；Cs——溶质在熔融