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第1章 现代电子装联工艺可靠性概论 1

1.1 电子设备可靠性的基本概念 1

1.1.1 电子设备可靠性问题的产生 1

1.1.2 电子设备可靠性的定义与数学描述 1

1.1.3 可靠性准则 5

1.1.4 可靠性的数量特征 5

1.2 现代电子装联工艺可靠性 10

1.2.1 电子装联工艺的变迁和发展 10

1.2.2 现代电子装联工艺可靠性问题的提出 11

1.2.3 现代电子装联工艺可靠性的研究对象和现实意义 14

第2章 影响现代电子装联工艺可靠性的因素 17

2.1 概述 17

2.1.1 现代电子装联工艺可靠性的内涵 17

2.1.2 现代电子装联焊接过程中的缺陷现象 17

2.1.3 应用中焊点可靠性的蜕变现象 20

2.2 电子元器件电极表面状态对互连焊接可靠性的影响 22

2.2.1 从可靠性看对电子元器件引脚材料的技术要求 22

2.2.2 电子元器件引脚用材料对焊接可靠性的影响 22

2.2.3 引脚的可焊性涂层对焊接可靠性的影响 24

2.3 PCB焊盘涂层对焊接可靠性的影响 28

2.3.1 PCB常用可焊性涂层的特性描述 28

2.3.2 目前国内外电子业界在PCB镀层的应用情况和评价 31

2.3.3 综合提升PCB镀层可焊性和抗环境侵蚀能力对改善工艺可靠性的现实意义 31

2.3.4 Im-Sn＋重熔工艺在恶劣环境下改善抗腐蚀能力和可焊性的机理 32

2.4 镀层可焊性的储存期试验及试验方法 34

2.4.1 储存期对可焊性的影响 34

2.4.2 加速老化处理试验 35

第3章 焊接界面合金层的形成及其对焊点可靠性的影响 36

3.1 焊接界面 36

3.1.1 焊接界面的物理状态 36

3.1.2 界面合金层的形成 36

3.1.3 影响合金层生长的因素 41

3.2 IMC对焊点可靠性的影响 45

3.2.1 IMC对焊接连接的意义 45

3.2.2 IMC状态对焊点可靠性的影响 46

3.2.3 IMC厚度对焊点可靠性的影响 48

3.2.4 IMC微组织结构对焊点可靠性的影响 49

第4章 环境因素对电子装备可靠性的影响及工艺可靠性加固 52

4.1 在环境作用下电子产品性能的变化 52

4.1.1 湿度的影响 52

4.1.2 热和冷的影响 54

4.1.3 大气压力的影响 56

4.1.4 日光、灰尘和沙粒的影响 56

4.2 大气中腐蚀性元素和气体对电子装备可靠性的影响 56

4.2.1 大气中腐蚀性元素和气体的种类及其容许的浓度 56

4.2.2 大气腐蚀 57

4.2.3 在天然水介质中的腐蚀 58

4.2.4 接触腐蚀 58

4.2.5 离子迁移现象的机理及其对可靠性的危害 59

4.3 金属镀层的腐蚀（氧化）对可靠性的危害 59

4.3.1 金属腐蚀的定义 59

4.3.2 腐蚀介质的分类 59

4.3.3 引脚基体金属和镀层间的电化学腐蚀现象 61

4.3.4 非金属及金属的接触偶电极电位对可靠性的潜在影响 63

4.4 工艺可靠性加固措施 66

4.5 免清洗助焊剂在应用中的隐患 68

4.5.1 助焊剂残余物的潜在危险性 68

4.5.2 助焊剂残余物的分类及其对可靠性影响的预防 69

第5章 影响电子产品在服役期间的工艺可靠性问题 70

5.1 产品服役期的工艺可靠性 70

5.1.1 概述 70

5.1.2 影响产品制造缺陷的工艺可靠性问题 71

5.1.3 影响市场服役期故障的工艺可靠性问题 71

5.2 金属偏析现象 71

5.2.1 偏析的定义及分类 71

5.2.2 偏析对焊点可靠性的影响 72

5.2.3 焊接过程中Pb偏析形成机理 73

5.2.4 抑制焊点出现偏析的措施 74

5.3 黑色焊盘现象 74

5.3.1 黑盘现象 74

5.3.2 黑盘现象的形成机理 75

5.3.3 有关“黑盘现象”隐患的背景资料 77

5.4 Au脆现象 78

5.4.1 Au脆现象的发现 78

5.4.2 焊点中Au含量对脆性的影响 78

5.4.3 Au脆现象发生的冶金机制 80

5.4.4 Au脆的控制 81

5.4.5 Au脆危害可靠性的案例 81

5.5 金属离子迁移现象 83

5.5.1 金属离子迁移的定义和分类 83

5.5.2 Ag离子迁移现象的发现 83

5.5.3 Ag离子的迁移机理 84

5.5.4 Ag迁移现象对可靠性的危害 85

5.5.5 导电阳极细丝（CAF）现象 86

5.5.6 CAF的生长机理及危害 87

5.5.7 对CAF生成因素的控制 87

5.6 钎料的电子迁移现象 88

5.6.1 钎料电子迁移概述 88

5.6.2 电子迁移对接合界面的影响 89

5.6.3 电子迁移对倒装片接续的影响 90

5.7 Sn晶须生长现象 91

5.7.1 金属晶须 91

5.7.2 Sn晶须生成的环境条件 92

5.7.3 Sn晶须生长的机理 95

5.7.4 Sn晶须生长的抑制 97

5.8 爬行腐蚀现象 98

5.8.1 问题的提出 98

5.8.2 爬行腐蚀 99

5.8.3 对爬行腐蚀的防护措施 101

5.8.4 爬行腐蚀、离子迁移枝晶及CAF等的异同 101

5.8.5 失效案例分析 101

5.9 柯肯多尔空洞 104

5.9.1 柯肯多尔空洞的形成 104

5.9.2 柯肯多尔空洞对焊点可靠性的影响 104

5.10 产品在用户服役期中工艺可靠性的蜕变现象 105

5.10.1 工艺可靠性蜕变现象 105

5.10.2 固相老化中显微组织演化 105

第6章 理想焊点的质量模型及其影响因素 107

6.1 软钎接焊点对电子系统可靠性的贡献 107

6.1.1 软钎接在电子装联工艺中的地位 107

6.1.2 软钎接是影响电子产品制造质量的主要根源 107

6.2 理想焊点接续界面的质量模型 107

6.2.1 理想焊点界面结构的质量要求 107

6.2.2 理想焊点的质量模型对提高产品质量的贡献 108

6.3 构成理想焊点质量模型的主要条件分析 108

6.3.1 低的基板Z轴方向的CTE值 108

6.3.2 平整且厚度合适的均匀IMC层 110

6.3.3 界面体内粒度小于100nm的微细强化粒子 114

6.3.4 偏析少的钎料组织 117

6.3.5 弱的氧化膜 121

6.4 软钎接焊点在用户服役中所能耐受的最高温度 122

第7章 有铅和无铅混合组装的工艺可靠性 124

7.1 有铅和无铅混合组装 124

7.1.1 概述 124

7.1.2 有铅向无铅技术转变的过渡时期 124

7.1.3 有铅与无铅混合组装的相容性 125

7.2 混合组装合金焊点的可靠性 126

7.2.1 概述 126

7.2.2 Intel公司组织的对混合合金焊点的可靠性试验和评估 127

7.2.3 Jennifer Nguyen等人对混合合金焊点的可靠性评估 133

7.2.4 混合合金焊点的可靠性综合评估 136

7.3 影响混合合金焊点工艺可靠性的因素 136

7.3.1 无铅、有铅混用所带来的工艺问题 136

7.3.2 混合合金焊点的工艺可靠性设计 137

7.3.3 PCB焊盘及元器件引脚焊端涂敷层 138

7.3.4 混合组装再流焊接时应注意的事项 138

7.3.5 混合组装再流焊接温度曲线的优化 140

第8章 电子产品无Pb制程的工艺可靠性问题 142

8.1 电子产品无Pb制程工艺可靠性概述 142

8.1.1 前言 142

8.1.2 无Pb制程定义及系统考虑 142

8.1.3 电子产品无Pb制程工艺可靠性 143

8.2 影响电子产品无Pb制程工艺可靠性的因素 144

8.2.1 影响无Pb焊点工艺可靠性的因素 144

8.2.2 钎料合金 144

8.2.3 元器件 145

8.2.4 PCB 146

8.2.5 工艺因素 149

8.2.6 对环境的适应性 151

8.2.7 环境影响因素 151

8.2.8 导电阳极丝及柯肯多尔空洞 152

8.3 脆变现象 152

8.3.1 无Pb焊接脆弱性问题 152

8.3.2 脆变机理 153

8.4 无Pb焊点的质量和可靠性测试 154

8.4.1 无Pb制程所面临的挑战 154

8.4.2 无Pb焊点的质量和可靠性试验 155

8.5 无Pb制程焊点可靠性评估（与SnPb钎料比较） 155

8.5.1 等温机械疲劳测试 155

8.5.2 热疲劳测试 156

8.5.3 热机械负荷测试 159

8.5.4 高温和高低温温度冲击试验 159

8.5.5 BGA、CSP由有Pb到无Pb制程的可靠性变化 160

8.5.6 无Pb钎料的机械振动 161

8.5.7 微组织和合金层 161

8.6 无Pb再流焊冷却速率对焊点可靠性的影响 162

8.6.1 问题的提出 162

8.6.2 冷却对无Pb钎料的影响 163

8.6.3 冷却在生产中的应用 164

8.7 无Pb焊点特有的工艺缺陷现象 165

8.7.1 凝固过程生成的缺陷 165

8.7.2 Pb污染引起的现象 172

第9章 波峰焊接焊点的工艺可靠性设计 175

9.1 概述 175

9.1.1 波峰焊接焊点接头工艺可靠性设计的意义 175

9.1.2 波峰焊接焊点的形成过程及控制因素 175

9.2 焊点的接头 175

9.2.1 焊点的接头模型 175

9.2.2 波峰焊接的基本接头结构和工艺设计要求 176

9.3 焊接接头结构设计对接头机电性能的影响 178

9.3.1 接头的几何形状设计及对强度的影响 178

9.3.2 焊接接头的电气特性 180

9.4 影响焊接接头机械强度的因素 183

9.4.1 施用的钎料量对焊点剪切强度的影响 183

9.4.2 与熔化钎料接触的时间对焊点剪切强度的影响 184

9.4.3 焊接温度对接头剪切强度的影响 184

9.4.4 接头厚度对强度的影响 185

9.4.5 接头强度随钎料合金成分和基体金属的变化 186

9.4.6 钎料接头的蠕变强度 187

9.5 基体金属的可焊性和焊点的可靠性 189

9.5.1 可焊性 189

9.5.2 影响焊点可靠性的因素 190

9.5.3 波峰焊接表面的净度和电子污染 192

9.5.4 镀层可焊性的储存期试验及试验方法 194

第10章 SMT再流焊接焊点的工艺可靠性设计 196

10.1 SMT再流焊接焊点的结构特征 196

10.2 再流焊接接合部工艺可靠性设计概述 198

10.2.1 接合部工艺可靠性设计的目的和任务 198

10.2.2 接合部工艺可靠性设计的定义和内容 198

10.3 片式元器件再流焊接接合部工艺可靠性设计及举例 200

10.3.1 片式元器件焊点工艺可靠性设计 200

10.3.2 片式元器件焊点工艺可靠性设计举例 207

10.4 QFP再流焊接接合部工艺可靠性设计及举例 210

10.4.1 QFP接合部工艺可靠性设计 210

10.4.2 QFP接合部工艺可靠性设计举例 213

10.5 BGA、CSP再流焊接接合部工艺可靠性设计 217

10.5.1 工艺可靠性设计（确定必要的钎料量） 217

10.5.2 焊盘设计 219

10.5.3 印刷钢网开口尺寸的确定 220

第11章 PCBA常见的危及可靠性的故障现象及其分析 222

11.1 PCBA和故障 222

11.1.1 概述 222

11.1.2 失效分析基础 222

11.1.3 PCBA失效分析的层次和原则 223

11.1.4 失效分析方法 224

11.2 PCBA在生产过程中发生的缺陷现象 224

11.2.1 PCBA的翘曲和应力 224

11.2.2 再流焊接的爆板 226

11.2.3 再流焊接中的分层现象 230

11.2.4 潮湿敏感元器件的爆米花现象 231

11.2.5 拼板安装分板时对产品质量和可靠性的影响 233

11.2.6 某键盘板再流焊接后焊盘变黑 233

11.2.7 某按键镀金面变色 234

11.2.8 USB尾插焊后脱落 236

11.2.9 功放过孔断线现象 241

11.3 PCBA服役期中发生的缺陷现象 243

11.3.1 服役期中PCBA板面发现化学腐蚀 243

11.3.2 某背板产品在用户服役期间焊点发白 244

11.3.3 某背板产品在加电工作中因绝缘击穿而烧毁 247

11.3.4 PTH绿油塞孔口发生黑色物堆集现象 248

11.4 PCBA多余物 250

11.5 PCBA的清洁度标准 251

11.5.1 概述 251

11.5.2 PCBA清洁度要求 252

第12章 PCBA焊点失效分析 254

12.1 PCBA焊点失效分析基础 254

12.1.1 名词及定义 254

12.1.2 损坏机制和焊点失效概述 254

12.1.3 焊点和焊接层类型 255

12.1.4 焊接连接部失效 256

12.2 虚焊及冷焊 258

12.2.1 概述 258

12.2.2 虚焊 259

12.2.3 冷焊 261

12.3 BGA焊点的常见失效模式及机理 265

12.3.1 界面失效 265

12.3.2 钎料疲劳失效 265

12.3.3 张力载荷引起蠕变断裂 267

12.3.4 弯曲试验常见的失效 267

12.4 BGA组装异常案例分析 268

12.4.1 概述 268

12.4.2 BGA焊盘定义 269

12.4.3 BGA钎料球过度坍塌 269

12.4.4 焊膏的印刷状态 269

12.4.5 BGA中介层的变形 270

12.4.6 焊接的焊点状态 271

12.5 生产中PCBA焊点失效典型案例 273

12.5.1 案例1：MP3主板器件焊点脱落 273

12.5.2 案例2：某单板角焊点断裂 275

12.5.3 案例3：某批终端产品在生产中发生不开机现象 278

12.6 PCBA在服役期焊点失效的典型案例 279

12.6.1 案例1：某产品PCBA主板在用户服役中BGA焊点断裂 279

12.6.2 案例2：X-FPBA失效 283

12.6.3 案例3：某计算机用PCBA上BGA的部分钎料球焊点开裂 285

12.7 焊点可靠性蜕变现象讨论 286

12.7.1 镀层因素 286

12.7.2 老化与IMC长厚 287

第13章 工艺可靠性试验 289

13.1 工艺可靠性试验概论 289

13.1.1 工艺可靠性试验的目的 289

13.1.2 试验分类和检测技术的适用性 290

13.2 主要的试验内容和方法 291

13.2.1 外观检查 291

13.2.2 接合强度评价 292

13.2.3 X射线透视检查 294

13.2.4 红外热敏成像 296

13.2.5 红外显微镜分析（FT） 297

13.2.6 声频显微扫描检测技术 297

13.2.7 扫描电镜与能谱分析 298

13.2.8 内窥镜光学检验 299

13.2.9 着色探伤检测法 300

13.2.10 金相切片 301

13.2.11 温度循环试验 303

13.3 获得焊点可靠性的基础——基体金属的可焊性试验 304

13.3.1 可焊性的定义 304

13.3.2 可焊性和可靠性 305

13.3.3 焊接过程中与可焊性相关的物理参数 305

13.3.4 可焊性试验 305

参考文献 309