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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 PCB146

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