电子设备板级可靠性工程

第1章 概述 1第2章 电子元器件的可靠性保障 32.1 元器件可靠性的新特点 32.2 基于故障机理的可靠性方法 42.3 选用可靠的元器件 62.3.1 元器件可靠性的度量 62.3.2 元器件可靠性保障体系 72.3.3 元器件供应商可靠性认证 132.3.4 元器件选用不当案例 152.3.5 集成电路基本认证项目 182.4 可靠地使用元器件 202.4.1 单板与元器件的环境差异 202.4.2 元器件可靠性需求分析 212.4.3 板级元器件可靠性保障 23第1章 概述 1 第2章 电子元器件的可靠性保障 3 2.1 元器件可靠性的新特点 3 2.2 基于故障机理的可靠性方法 4 2.3 选用可靠的元器件 6 2.3.1 元器件可靠性的度量 6 2.3.2 元器件可靠性保障体系 7 2.3.3 元器件供应商可靠性认证 13 2.3.4 元器件选用不当案例 15 2.3.5 集成电路基本认证项目 18 2.4 可靠地使用元器件 20 2.4.1 单板与元器件的环境差异 20 2.4.2 元器件可靠性需求分析 21 2.4.3 板级元器件可靠性保障 23 2.4.4 常用元器件可靠性应用分析 24 2.4.5 可靠使用元器件的案例 25 第3章 板级可靠性设计 27 3.1 电路板DFX设计概述 27 3.1.1 DFX设计的理念 27 3.1.2 DFX设计的流程与方法 27 3.1.3 业界领先企业开展DFX设计的经验 28 3.1.4 DFX问题已经成为板级可靠性的短板 30 3.2 可制造性设计 31 3.2.1 开展可制造性设计的意义 31 3.2.2 可制造性设计的主要内容 32 3.2.3 电子产品DFM设计案例 33 3.3 可制造性设计的工艺路线设计 34 3.3.1 工艺路线设计的基本原则 34 3.3.2 常见单板工艺路线的优缺点 35 3.4 PCB布局设计 36 3.4.1 应力敏感元器件的布局设计 36 3.4.2 考虑ICT测试应力的设计 37 3.4.3 大功率、热敏元器件的布局设计 37 3.4.4 焊盘的散热设计 38 3.5 小孔可靠性设计 38 3.5.1 印制电路板上孔的分类 38 3.5.2 影响通孔可靠性的关键设计参数 40 3.5.3 单板厚径比的概念 41 3.6 PCB走线的可靠性设计 41 3.6.1 考虑电磁兼容的走线设计2W原则 42 3.6.2 保证可靠性的走线设计原则 42 3.6.3 考虑可制造性的焊盘引出线设计 42 3.6.4 走线禁忌规则 43 3.7 无铅PCB表面处理与可靠性 44 3.7.1 有机可焊性保护膜 44 3.7.2 化学镍金 45 3.7.3 无铅热风整平 48 3.7.4 化学镀锡 49 3.7.5 浸银 49 3.7.6 无铅表面处理总结 50 第4章 焊点疲劳寿命预测与可靠性设计 52 4.1 焊点疲劳寿命预测模型 52 4.1.1 以塑性变形为基础的寿命预测模型 53 4.1.2 以蠕变变形为基础的寿命预测模型 54 4.1.3 以能量为基础的寿命预测模型 54 4.1.4 以断裂参量为基础的寿命预测模型 55 4.2 典型焊点疲劳寿命预测举例 55 4.2.1 模型建立和参数选择 56 4.2.2 关键焊点及回流焊曲线的影响 58 4.2.3 仿真分析结果 60 4.2.4 焊点寿命预测 61 4.2.5 仿真分析研究结论 63 4.3 焊点失效与寿命预测研究前沿方向 63 4.3.1 多场耦合作用下焊点的失效与寿命预测 63 4.3.2 极端温度环境下焊点寿命预测 64 第5章 单板组装过程的可靠性 66 5.1 软钎焊原理 66 5.2 可焊性测试 68 5.2.1 边缘浸渍法 68 5.2.2 润湿平衡法 69 5.3 组装过程的潮湿敏感问题 72 5.3.1 潮湿敏感元器件的可靠性问题 72 5.3.2 吸湿造成的PCB爆板问题 74 5.4 单板组装过程的静电损伤问题 74 5.4.1 电子元器件的静电损伤 74 5.4.2 单板组装过程中的静电来源 75 5.4.3 静电放电的失效模式及失效机理 76 5.4.4 保障工艺可靠性的静电防护措施 76 5.5 焊接过程的可靠性问题 79 5.5.1 冷焊 79 5.5.2 空洞 80 5.5.3 片式元器件开裂 80 5.5.4 金属渗析 82 5.5.5 焊点剥离 83 5.5.6 片式元器件立碑缺陷的机理分析与解决 84 5.6 无铅焊接高温的影响 88 5.6.1 无铅焊接高温对元器件可靠性的影响 88 5.6.2 无铅焊接高温对PCB可靠性的影响 91 5.7 焊点二次回流造成的焊接失效 92 5.7.1 回流焊工艺二次回流造成的焊接失效 92 5.7.2 波峰焊工艺引起的焊点二次回流失效 93 5.8 金属间化合物对焊接可靠性的影响 96 第6章 单板常见失效模式及失效机理 98 6.1 焊点失效机理 98 6.1.1 热致失效 98 6.1.2 机械失效 99 6.1.3 电化学失效 100 6.2 焊点常见失效模式 100 6.2.1 焊点机械应力损伤失效 100 6.2.2 焊点热疲劳失效 101 6.2.3 锡须 102 6.2.4 黑盘 104 6.2.5 金脆 106 6.2.6 柯肯达尔空洞 107 6.3 PCB常见失效模式 108 6.3.1 导电阳极丝 108 6.3.2 PCB电迁移 110 6.3.3 电路板腐蚀失效 112第7章 面阵列封装器件的可靠应用 113 7.1 面阵列封装器件简介 113 7.1.1 BGA封装的特点 113 7.1.2 BGA封装的类型与结构 114 7.2 BGA焊点空洞形成机理及其对焊点可靠性的影响 119 7.2.1 BGA焊点空洞形成机理 119 7.2.2 BGA焊点空洞接受标准及其对焊点可靠性的影响 122 7.2.3 消除BGA空洞的措施 123 7.3 BGA不饱满焊点的形成机理及解决措施 124 7.4 BGA焊接润湿不良及改善措施 125 7.5 BGA焊接的自对中不良及解决措施 126 7.6 BGA焊点桥连及解决措施 128 7.7 BGA焊接的开焊及解决措施 129 7.8 焊点高度不均匀及解决措施 131 7.9 “爆米花”和分层现象 132 第8章 板级可靠性试验与测试 133 8.1 单板可靠性试验与测试概述 133 8.2 单板可靠性试验与环境试验 135 8.3 单板可靠性试验设计 136 8.3.1 单板可靠性试验的类型 137 8.3.2 单板可靠性试验的应力施加方式和应力类型 138 8.3.3 单板可靠性试验类型选择 139 8.3.4 单板可靠性试验模型 140 8.4 单板老化试验 141 8.4.1 老化试验的目的 142 8.4.2 老化试验的设计原则 142 8.4.3 老化试验数据分析 143 8.5 单板高加速寿命试验 143 8.5.1 单板高加速寿命试验的目的 143 8.5.2 HALT的设计原则 144 8.5.3 HALT中应当注意的问题 146 8.6 单板可靠性增长试验 146 8.6.1 可靠性增长的分类 147 8.6.2 可靠性增长试验的设计原则 147 8.6.3 可靠性增长试验中应注意的问题 148 8.7 单板可靠性测试 149 8.7.1 单板可靠性测试概述 149 8.7.2 单板黑盒测试 150 8.7.3 单板白盒测试 151 第9章 板级失效分析 155 9.1 板级失效分析概述 155 9.1.1 板级失效分析的目的和作用 155 9.1.2 板级失效分析的原则和流程 156 9.2 外观检查 156 9.3 金相切片分析 157 9.3.1 金相切片的制作过程 157 9.3.2 金相切片在印制电路板生产检验中的应用 158 9.3.3 金相切片在印制电路板质量与可靠性分析中的应用 159 9.4 X射线分析技术 160 9.4.1 X射线的基本概念 160 9.4.2 X射线在板级失效分析中的用途 161 9.4.3 Ｘ射线分析案例 161 9.5 光学显微镜分析技术 162 9.5.1 明场与暗场观察 163 9.5.2 偏振光干涉法观察 163 9.6 红外显微镜分析技术 163 9.6.1 红外显微镜的基本工作原理 163 9.6.2 红外显微分析技术在元器件失效分析中的应用 164 9.7 声学显微镜分析技术 165 9.8 扫描电子显微镜技术 165 9.8.1 扫描电子显微镜的基本工作原理 166 9.8.2 扫描电子显微镜及其在元器件失效分析中的应用 166 9.9 电子束测试技术 168 9.9.1 电子束探测法 168 9.9.2 电子束探测技术在器件失效分析中的应用 169 9.9.3 电子束探测系统中的自动导航技术 170 9.9.4 电子束探针的探测原则 170 9.10 X射线显微分析 171 9.11 染色与渗透试验技术 171 9.11.1 染色与渗透试验基本原理 172 9.11.2 染色与渗透试验流程 172 9.11.3 染色与渗透试验结果的分析与应用 173 9.11.4 染色与渗透试验过程的质量控制 174 9.12 热翘曲变形检测技术 175 参考文献 177