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电子设备板级可靠性工程

作译者：王文利

出版时间：2024-09 千字数：314 版次：01-01 页数：196

开本：16开装帧： I S B N ：9787121488184

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纸质书定价：￥79.0

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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

丛书序
电子机械工程的主要任务是进行面向电性能的高精度、高性能机电装备机械结构的分析、设计与制造技术的研究。
高精度、高性能机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主、电性能服务于机械性能的机械装备，如大型数控机床、加工中心等加工装备，以及兵器、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业的重大装备，主要是运用现代电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能；另一类则是以电性能为主、机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、计算机、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。
从广义上讲，这两类装备都属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。机电一体化（Mechatronics）的概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词组合而成，体现了机械与电技术不断融合的内涵演进和发展趋势。这里的电技术包括电子、电磁和电气。
伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了如机-电-液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而提高系统或设备的整体性能。
高性能机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合等三个不同的发展阶段。在高精度与高性能电子装备的发展上，这三个阶段的特征体现得尤为突出。
机电分离（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）是指电子装备的机械结构设计与电磁设计分别、独立进行，但彼此间的信息可实现在（离）线传递、共享，即机械结构、电磁性能的设计仍在各自领域独立进行，但在边界或域内可实现信息的共享与有效传递，如反射面天线的机械结构与电磁、有源相控阵天线的机械结构-电磁-热等。
需要指出的是，这种信息共享在设计层面仍是机电分离的，故传统机电分离设计固有的诸多问题依然存在，最明显的有两个：一是电磁设计人员提出的对机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构设计人员只能千方百计地满足其要求，带有一定的盲目性；二是工程实际中，又时常出现奇怪的现象，即机械结构技术人员费了九牛二虎之力设计、制造出的满足机械制造精度要求的产品，电性能却不满足；相反，机械制造精度未达到要求的产品，电性能却能满足。因此，在实际工程中，只好采用备份的办法，最后由电调来决定选用哪一个。这两个长期存在的问题导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，这已成为制约电子装备性能提升并影响未来装备研制的瓶颈。
随着电子装备工作频段的不断提高，机电之间的互相影响越发明显，机电分离设计遇到的问题越来越多，矛盾也越发突出。于是，机电综合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）的概念出现了。机电综合是机电一体化的较高层次，它比机电分离前进了一大步，主要表现在两个方面：一是建立了同时考虑机械结构、电磁、热等性能的综合设计的数学模型，可在设计阶段有效消除某些缺陷与不足；二是建立了一体化的有限元分析模型，如在高密度机箱机柜分析中，可共享相同空间几何的电磁、结构、温度的数值分析模型。
自21世纪初以来，电子装备呈现出高频段、高增益、高功率、大带宽、高密度、小型化、快响应、高指向精度的发展趋势，机电之间呈现出强耦合的特征。于是，机电一体化迈入了机电耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）的新阶段。
机电耦合是比机电综合更进一步的理性机电一体化，其特点主要包括两点：一是分析中不仅可实现机械、电磁、热的自动数值分析与仿真，而且可保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性；二是从数学上导出了基于物理量耦合的多物理系统间的耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对电性能的影响机理。其设计是基于该耦合理论模型和影响机理的机电耦合设计。可见，机电耦合与机电综合相比具有不同的特点，并且有了质的飞跃。
从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑，而复杂装备制造的未来发展，将不断趋于多物理场、多介质、多尺度、多元素的深度融合，机械、电气、电子、电磁、光学、热学等将融于一体，巨系统、极端化、精密化将成为新的趋势，以机电耦合为突破口的设计与制造技术也将迎来更大的挑战。
随着新一代电子技术、信息技术、材料、工艺等学科的快速发展，未来高性能电子装备的发展将呈现两个极端特征：一是极端频率，如对潜通信等应用的极低频段，天基微波辐射天线等应用的毫米波、亚毫米波乃至太赫兹频段；二是极端环境，如南北极、深空与临近空间、深海等。这些都对机电耦合理论与技术提出了前所未有的挑战，亟待开展如下研究。
第一，电子装备涉及的电磁场、结构位移场、温度场的场耦合理论模型（Electro- Mechanical Coupling，EMC）的建立。因为它们之间存在相互影响、相互制约的关系，需在已有基础上，进一步探明它们之间的影响与耦合机理，廓清多场、多域、多尺度、多介质的耦合机制，以及多工况、多因素的影响机理，并将其表示为定量的数学关系式。
第二，电子装备存在的非线性机械结构因素（结构参数、制造精度）与材料参数，对电子装备电磁性能影响明显，亟待进一步探索这些非线性因素对电性能的影响规律，进而发现它们对电性能的影响机理（Influence Mechanism，IM）。
第三，机电耦合设计方法。需综合分析耦合理论模型与影响机理的特点，进而提出电子装备机电耦合设计的理论与方法，这其中将伴随机械、电子、热学各自分析模型以及它们之间的数值分析网格间的滑移等难点的处理。
第四，耦合度的数学表征与度量。从理论上讲，任何耦合都是可度量的。为深入探索多物理系统间的耦合，有必要建立一种通用的度量耦合度的数学表征方法，进而导出可定量计算耦合度的数学表达式。
第五，应用中的深度融合。机电耦合技术不仅存在于几乎所有的机电装备中，而且在高端装备制造转型升级中扮演着十分重要的角色，是迭代发展的共性关键技术，在装备制造业的发展中有诸多重大行业应用，进而贯穿于我国工业化和信息化的整个历史进程中。随着新科技革命与产业变革的到来，尤其是以数字化、网络化、智能化为标志的智能制造的出现，工业化和信息化的深度融合势在必行，而该融合在理论与技术层面上则体现为机电耦合理论的应用，由此可见其意义深远、前景广阔。
本丛书是在上一次编写的基础上进行进一步的修改、完善、补充而成的，是从事电子机械工程领域专家们集体智慧的结晶，是长期工作成果的总结和展示。专家们既要完成繁重的科研任务，又要于百忙中抽时间保质保量地完成书稿，工作十分辛苦。在此，我代表丛书编委会，向各分册作者与审稿专家深表谢意！
丛书的出版，得到了电子机械工程分会、中国电子科技集团公司第十四研究所等单位领导的大力支持，得到了电子工业出版社及参与编辑们的积极推动，得到了丛书编委会各位同志的热情帮助，借此机会，一并表示衷心感谢！ 


中国工程院院士/中国电子学会电子机械工程分会主任委员    段宝岩
    2024年4月  

前  言

随着电子设备的广泛应用，电子设备的可靠性已成为一个突出的问题。几乎所有的应用场合都要求电子设备必须稳定、可靠、安全地运行。但电子设备由种类复杂的元器件及PCB、焊料、辅料、结构件及软件等组成，其可靠性尤其复杂。当前电子设备中突出的可靠性问题往往出现在元器件、PCB、焊点组成的电路板产品（PCBA）上，这些都是板级可靠性问题。
鉴于由元器件、焊点和PCB构成的板级结构的复杂性，一直没有建立起板级可靠性的理论模型和体系。但随着元器件的发展和PCB复杂性的提高，板级可靠性成为电子设备可靠性的核心之一。因此，国内外领军企业在可靠性理论和工程技术的基础上各自建立了适合自身产品特点和企业特点的板级可靠性工程方法，以不断提升自身产品的可靠性能力并保障自身产品的可靠性。
本书作者团队二十多年来一直在大型企业从事板级可靠性的研究、工程实践和可靠性咨询服务工作，对板级可靠性有深刻的体会与经验，也辅导不少企业建立了板级可靠性工程平台，取得了比较好的效果。本书结合华为等国际一流企业板级可靠性的发展实践和中小企业建立可靠性工程体系的做法，综合介绍板级可靠性工程的理论知识和实践方法论。
当前，元器件发展越来越快，电子制造工艺越来越复杂，产品应用条件越来越苛刻，产品应用场合越来越广泛，板级可靠性问题带来的产品失效越来越突出，从业人员迫切需要对板级可靠性工程有一个全面、系统的了解，以便更好地开展板级可靠性工作。
本书基于板级可靠性工程工作的开展这一思路来组织内容，没有涉及太多的可靠性数学与理论模型。主要内容包含选择可靠的元器件、可靠地使用元器件、板级可靠性设计（DFX）、单板组装过程的可靠性、单板常见失效模式及失效机理、板级可靠性试验与测试、板级失效分析等，同时穿插了国内外领先企业在可靠性工程方面的实践经验。
本书由原华为公司电子工艺可靠性平台建立者、西安电子科技大学电子可靠性（深圳）研究中心主任王文利教授负责编写，原华为公司可靠性技术专家向光恒、龙凯参与了部分章节的撰写，编写过程中得到了中国电子学会电子机械工程分会、中国电子科技集团公司第十四研究所、电子工业出版社的大力支持，作者的导师、丛书编委会主任段宝岩院士对本书的编写提出了建议和要求，在此一并表示衷心感谢！ 
由于时间仓促和作者水平有限，且板级可靠性工程也在不断发展，书中难免存在不足之处，真诚期望同行专家和读者指正。可靠性工作永远在路上，希望行业同人共同努力，推动中国可靠性事业走向新的高度。

                                                    王文利  
                                                     2024年4月

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