作者：罗道军,贺光辉,等
出版社：电子工业出版社
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电子组装工艺可靠性技术与案例研究(全彩)试读：
前言
人们生活品质日新月异的变化得益于21世纪初以来电子信息技术取得了飞速的发展，从而带动了电子制造业在国内特别是珠三角与长三角地区的快速成长。电子组装作为电子制造业的核心环节，决定了电子信息产品的品质水平，也是制造业价值的核心来源。电子组装就是将各种零部件通过线路板组装在一起形成电子产品的核心部分——PCBA电子组件，该过程涉及了材料、元器件、PCB以及工艺和设计等多个关键环节和复杂的技术内容。一直以来，业界一直存在重设计轻工艺的根深蒂固的观念，导致组装生产出来的产品质量问题不断，给需要大规模生产的消费类电子产品带来成本的显著增加与品牌形象的损失。与此同时，由于以欧盟RoHS指令为代表的国内外环保法规的要求和限制，许多传统上含有有毒有害物质的电子材料和零部件将逐步不能继续使用，这股绿色环保的旋风导致了整个电子制造业产业链的技术革命，也给电子组装工艺技术与产品的可靠性带来了更加严峻的挑战。我国如要从制造大国迈向制造强国则必须经过“使产品可靠”这道坎。
随着消费电子产品从极度匮乏到极大丰富再到好品牌的形成，人们经历了对产品质量与可靠性问题认识的深刻转变，从当初哪里有质量事故或投诉就到哪里的消防队员工作模式，亦即客户要我做的被动迎接质量审核的模式开始到主动进行产品的可靠性设计、试验、分析评价以及改进增长等各种质量可靠性技术手段的应用，再到今天产品的可靠性已经成为品牌与竞争力的体现，可靠性已经真真正正成为了当今最时髦的工业技术词汇了。作者有幸参与了这一转变过程，并且体会和感慨良多，现将部分经验技术汇集于此跟各位分享。
本书作者20世纪90年代初期进入电子组装技术这个领域，从相关材料的检测技术到产品的研究开发、工艺研究咨询、可靠性试验、分析和改进等，几乎涉猎整个电子组装技术领域。同时还参与了国内外有关电子绿色环保法规和标准的制定工作。本书汇聚了作者及其团队在电子组装技术与可靠性方面的实际经验与技术的积累，与传统类似技术专著不同的是，本书主要是通过介绍工艺可靠性基础知识加活生生的案例集的方式来呈现这些成果或经验积累，内容包括环保、材料、元器件与PCB、可靠性试验技术、失效分析技术、工艺改进、失效案例研究等，其中的案例都是众多企业实际碰到的问题的研究和解决方法。希望本书可以为从事该技术和工作领域的工程技术人员，相关企业的品质、工程、设计等部门的管理人员提供有益的参考。
本书主要内容包括介绍工艺可靠性技术的基础篇、环保与标准篇，包括电子组装材料与元器件和PCB的材料篇、方法篇和案例研究篇等，由中国赛宝实验室可靠性研究分析中心的许多同仁共同完成。其中1.1～1.3节以及2.3、3.2、4.1～4.4、5.3、5.14、5.15节由罗道军编写，3.4和5.17节由贺光辉编写，4.5、5.1、5.11和5.12节由邹雅冰编写，3.5、4.7、5.7～5.9节由肖慧编写，5.4～5.6和5.10节由胡朝辉编写，3.1和3.7节由刘子莲编写，3.3节由王宏芹编写，5.13和5.16节由许慧编写，2.1和2.2节由雷敏编写，4.6和5.2节由李勇编写，3.6节由李伟明编写，5.18节由赵振博编写；全书最后由罗道军统一修改定稿。此外，书中的许多内容得到了作者单位许多同事的大力支持和帮助，图谱绘制和论文与案例中的试验部分基本上都是他们完成的，在此一并感谢；同时，本书成书还得到许多电子行业的相关企业的大力支持，是它们提供给我们很好的学习和研究案例的机会，由于保密的原因我们隐去其相关信息，在此深表感谢！编著者第1章 基础篇1.1 电子组装技术与可靠性概述
琳琅满目的消费电子产品和日益便捷的信息技术的应用得益于电子制造的快速发展。电子制造包括了从电子材料开始，到元器件、组件、设备整机以及系统集成的整个硬件实现的过程，其中涉及了物理、化学、材料、机械电子等多学科的综合运用，是一个知识密集型的高技术的产业。随着技术的发展和越来越细的社会分工，现今的电子制造则演绎为主要包括技术复杂度较高的两个环节，即由电子材料到电子元器件的封装工艺，以及把元器件安装到印制板上形成电路板组件的组装工艺。本书主要讨论的是后者，即电子组装技术及其产品的可靠性问题。1.1.1 电子组装技术概述
从最初的将元器件用手工的方法焊接到印制板上的生产方式，到目前最普遍使用的高速表面贴装技术（SMT），电子组装技术这些年来经历了飞速的发展，贴装的零件已经小到01005的规格了。但是对于使用大型接插件或元器件的设备而言，如电源产品，则还必须使用通孔插装技术（THT），然后再使用波峰焊进行焊接组装。对于一些复杂产品，甚至同时使用SMT与THT技术。因此，本文讨论的电子组装技术则主要限于SMT与THT的工艺过程。这一过程涉及了材料技术、工艺技术、设计技术、可靠性与质量保证技术等，要得到高效率与高品质，任何一个环节的疏忽都不可以。组装工艺涉及的材料包括焊接材料、助焊剂材料、胶粘剂、元器件与PCB等，工艺则包括设备参数的设置和优化，设计则需要进行DFM（可制造性设计）和DFR（可靠性设计），以降低制造难度以便于提高制造成品率和效率；至于质量与可靠性的保证技术，则要在本书的稍后部分展开讨论。
典型THT的工艺流程如下：
备料——插件（手工或机械自动）——涂覆助焊剂——焊接（波峰焊或手工浸焊等）——检查——修补。
典型的SMT的工艺简述如下：（1）备料——PCB上点胶——贴片——固化（紫外或热）——波峰焊——检查——修补（2）备料——PCB上印刷焊锡膏——贴片——回流焊——检查——修补
条件好的企业为了更好地保证质量，则会在每道工序后面增加检测和清洗环节，如增加锡膏厚度测试、贴片或焊接后的自动光学检测（AOI），有的甚至增加线上X光透视检测焊点的环节。许多PCBA的生产同时包含了上述的THT和SMT工艺过程，那就需要设计好工艺流程，以保证不同工艺环节的良好的兼容性。
当电路板组件（PCBA）完成后，可以说电子组装的工作基本完成，因为后续的设备组装主要是一些简单的插接或拧螺钉的工作了。由于电子组装工艺技术涉及的面很宽、技术也复杂，论述清楚需要很大的篇幅，而且已经有大量的专著出版，因此电子组装技术部分不再作为本书讨论的重点议题。
自从2003年欧盟的RoHS和WEEE法规的出台，各国政府以及民间环保组织也相继纷纷出台在电子电气行业限制使用有毒有害物质的法律法规。为此，在电子制造行业掀起了绿色环保的浪潮，不仅仅是含有铅、镉、汞、六价铬、PBB与PBDE等物质的材料的使用受到限制，随着Reach法规的出台，受限制的物质已经超过160余项并且有逐步增多的趋势。其中，对电子行业冲击最大的是无铅化和无卤化的实施，含铅或含卤的材料在电子产品和组装工艺中已经非常成熟地使用了很长的时间，而无铅或无卤材料的使用将导致设计、工艺、元器件、设备与可靠性等要素的一系列改变，这无疑是一场制造技术的革命。无铅工艺的高温、小的工艺窗口以及低润湿特性将会导致元器件的损伤、成品率降低以及材料与能源成本的提升，无卤化则可导致工艺难度大大增加、PCB的可靠性与安全性受到损害等。一句话，绿色的电子组装将面临一场非常严峻的挑战，那就是如何避免成本的显著上升而同时确保产品的品质和可靠性。
本书的目的就是希望为电子组装业者提供一个解决问题的思路和方法，再通过一个个生动案例的研究分析，找到影响组装质量和可靠性问题的根源，从而采取针对性的措施，最终达到确保所组装的产品的质量与可靠性的目的。1.1.2 可靠性概论
对于一个完整的可靠的电子组装制造过程而言，首次通过SMT或THT技术获得了组件并没有达成最终的目标，其中还必须通过各种可靠性试验的考核以及失效分析手段，暴露和分析组件所隐含的缺陷以及造成缺陷的根本原因，并针对这些原因通过工艺优化、物料控制以及设计进行改进，不断地改进和提高焊点或组件的可靠性与质量，最终才能获得符合质量目标的组件和稳定的工艺条件。本书的第一部分将重点讨论确保电子组装质量的可靠性工程技术，这些技术也理应成为制造过程收关的重要一环。
电子组件的可靠性取决于元器件的可靠性和互连焊点的可靠性。由于元器件种类繁多且自有规律，需要有专门的专著来讨论。本书主要讨论经过组装技术生产获得的PCBA的互连可靠性问题，而这一问题的关键则是如何获得良好的可靠的焊点，又不伤及周围的元器件和材料。在展开讨论焊点的可靠性试验与失效分析技术之前，有必要先介绍一下有关焊点可靠性的基本概念与基础知识。
1.研究焊点可靠性的意义
焊点通俗地说其实就是一个通过钎焊工艺形成的一个“接头”，通过这个接头就可以将不同的导体或功能零件连接在一起。对于本文要讨论的焊点则是限定在印制电路板与零部件之间起固定作用的接点，元器件就是通过这一接点输入、输出信号而发挥其作用。因此，焊点的最基本的作用就是固定零部件，确保这一机械连接的牢固，然后在此基础上实现电气连接，传导电信号，最终实现零部件以及线路板组件的设计功能。从这个意义上讲，焊点是否可靠地持续保持良好的机械连接与电气连接的功能对于整机设备来讲至关重要。因为，即使一个焊点发生不良或不可靠，也会导致整个设备异常甚至失效，严重的会引起灾难性的责任事故，如阿波罗号航天飞机的事故、火箭发射失败等。此外，焊点还有散热功能，这一点对板级可靠性也非常重要。
对于一个设计定型后持续生产的整机设备产品，决定其功能和质量的核心就是其线路板组件，因为其他部分相对简单得多，很少有因为机壳或压缩机之类的机械部件不良引起的质量问题。而决定线路板组件（PCBA）固有可靠性的因素主要有两个，一是各元器件的可靠性，另外一个就是线路板与元器件之间互连的可靠性。任何一个元器件或是焊点的不良都可以导致设备发生故障。而据美国空军的统计数据，焊点失效导致的故障占总故障的30%强。可见，在影响整机设备的可靠性方面，焊点的质量与可靠性和元器件一样重要，意义一样重大。虽然看起来，焊点似乎更普通，更不引人注目。
2.可靠性基本概念
在人们的印象中，“可靠”的意义似乎就是“不出问题”，或没有故障等，对于SMT焊点而言就是焊点不出问题。可以说这是人们对可靠性最初认识的一种通俗的说法。那么，到底什么是可靠性?如何对可靠与否进行度量呢?按照国家标准《可靠性基本名称及术语》（GB 3187—1982）以及国家军用标准《可靠性维修性术语定义》（GJB 451—1990）的定义：可靠性为“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。为了表征这种“完成规定功能的能力”，技术上使用概率论与数理统计的方法来定量表述。定量表示产品可靠性的特征量有可靠度（R（t））、累积失效率（F（t））、失效率（λ）以及平均无故障工作时间（MTBF）等。
所谓可靠度R（t）就是产品在规定的条件下，完成规定功能的概率。累积失效率其实就是累积的失效产品数占总量的比率。可靠度与累积失效率之间的关系可以用下式来表示：
所谓失效率，就是指产品单位的时间内失效的概率。而平均无故障工作时间，是指产品无故障工作时间的平均值。这里所说的产品就是焊点。通常来讲，表征焊点与元器件的可靠性的高低用失效率来表示，而对于设备的可靠性水平则多用可靠度或平均无故障工作时间来表达。这里多次提到的“失效”，是指产品丧失应有功能或降低到不能满足规定的要求。而失效模式则是失效现象的表现形式，与产生原因无关，如开路、短路、参数漂移、不稳定等。失效机理则是失效模式背后的物理化学变化过程，并对导致失效的物理化学变化提供的解释，如银电化学迁移导致的短路。在工程上，有时会把导致失效的原因说成是失效机理。另外，值得提醒的是，可靠性工程中所说的应力不是物理学上的机械应力，而是泛指驱动或阻碍产品完成功能的动力和加在产品上的环境条件（如温度、湿度、电压、振动等），也是产品退化的诱因。
根据可靠性的定义，产品的固有可靠性是随设计的修改、工艺的变更以及使用条件的不同而变化的。因此，在评价或分析产品可靠性时，必须指定“规定的条件”和“规定的时间”以及需要“完成规定的功能”。否则，这个能力水平即可靠性水平就不可确定。因此，可靠性与“规定的条件”、“规定的时间”以及“规定的功能”密切相关。比如汽车音响，在北方的沙漠地区使用或是在海南岛地区使用，其寿命或可靠性就差别极大。这里所说的“规定的条件”就是指产品的使用条件和环境条件。另外，产品的可靠性一般都会随时间的推移而不断降低，它是时间的函数，产品使用一天的可靠性与一年以后的可靠性水平截然不同，因此必须限定“规定的时间”。此外，“规定的功能”是指产品的主要性能指标与技术要求，完成或达到这些指标或要求的能力则跟指标与技术要求的高低有关，指标高，完成的能力的可能性就会下降，反之则会上升。这些指标或要求实际上就是产品失效的判断的依据，没有完成这个规定的功能就是失效了。
3.可靠性试验概述
从广义上来说，凡是为了了解、评价、分析和提高产品可靠性水平而进行的试验，都可称为可靠性试验。从这个意义上讲，在产品设计到制造、鉴定到使用的每一个阶段都需要进行可靠性试验。比如，在设计阶段，我们需要了解所设计的产品或焊点是否满足可靠性指标的要求，要进行可靠性试验。在生产制造阶段，需要了解生产工艺是否满足要求，需要进行可靠性试验。工艺定型后的正式生产时，需要对其产品的可靠性水平进行鉴定，也需要可靠性试验。在使用阶段，由于使用现场与实验室条件的差异，同样需要进行现场的可靠性试验。通过这么一系列的可靠性试验，我们期望可以达到保证出售的产品的可靠性水平满足要求的目标。具体说来，就是通过可靠性试验可以发现在设计、原材料、结构、工艺和环境适应性方面存在的问题，再通过失效分析手段分析问题产生的原因，并进行有效的改进，直到达成最终的设计目标，并可为后续的可靠性管理提供有效的依据。
为了达到不同的目的可以选择不同类型的试验方法。可靠性试验有不同的分类方法，如根据环境条件分为模拟试验和现场试验；根据试验的性质，可以分为破坏性试验与非破坏性试验两大类；按照项目则可分为环境试验、寿命试验、加速试验和各种特殊试验。但通常惯用的分类方法是将其分为五类，即环境试验、寿命试验、筛选试验、现场使用试验和鉴定试验。而鉴定试验又可以分为产品的可靠性试验与工艺的可靠性试验，产品的可靠性鉴定试验一般在新产品设计定型和生产定型的时候进行，目的是考核产品的指标是否满足预定的设计要求。而工艺（含材料）的可靠性鉴定试验主要是用于考核生产工艺和材料的选择与控制能力是否能保证所制造的产品的可靠性与质量等级的要求。由于SMT工艺从有铅的传统工艺到无铅的环保工艺，主要涉及工艺与材料的转换，因此，更多地是需要做工艺的可靠性鉴定试验，以确认所更新后的工艺和材料是否满足预期的可靠性要求。
由于无铅制造过程涉及的因素很多，光无铅焊料在业界都无法统一，各种合金组成的无铅焊料以及不同的表面处理，导致影响无铅产品可靠性的因素很多，且无铅实施的时间不长，与有铅产品的大量的可靠性数据积累相比，无铅产品的可靠性数据缺乏积累。这也就严重制约了无铅焊接技术的发展，导致在某些高可靠性要求的领域仍然得到豁免而继续使用有铅的焊接工艺，这样无铅有铅混装的工艺就产生了新的可靠性问题。为此，除了进行上面提到的可靠性鉴定试验以外，业界仍然需要针对无铅焊点进行必要的寿命试验，以获取无铅焊点的寿命特征。这种方法是模拟焊点的使用条件，在不改变失效机理的条件下采用加大应力缩短试验时间的加速寿命试验的方法。尽管如此，为了获得焊点的特征寿命，试验的时间仍然较长，投入仍然很大，在业界一般的中小企业都难以单独承担。所以，现在业界大多采用工艺可靠性鉴定试验的方式，结合一定的机理分析来确保消费类产品的可靠性满足要求。
4.确保产品可靠性的基本工作内容
可靠性工作是一项系统工程，它贯穿从产品设计到使用的整个生命周期。要确保产品的可靠性符合设计和使用的要求，显然仅仅通过可靠性试验的方法不能达到确保可靠性的目标。由于篇幅以及本书主旨的关系，在此只能简单地概述一下其他相关的可靠性工作的基本内容与工作思路。
每一个产品的诞生都是从设计开始，在产品的研制阶段必须首先进行产品可靠性规划，需要设计的产品将来在什么条件下使用，使用的寿命如何，寿命期内故障的容忍度如何，可靠性要求到什么程度等，都需要做好规划或设计。然后根据所使用的材料与工艺参数对可靠性进行预计，预计可靠性能满足要求后方可进行产品样机的研究，并对产品的设计方案进行可靠性分析，通过可靠性试验发现问题与隐藏的缺陷，针对缺陷进行分析改进，即所谓的可靠性增长试验。这个过程反复进行直至设计的产品的可靠性满足要求为止，设计才能定型。
设计定型后的产品就应该开始设计生产工艺，开始进入试制阶段了。这时就要根据产品设计要求，选择工艺、材料、部件进行试生产，通过对试生产的产品的特征参数进行检测，获得工艺优化的初步依据，选择最佳的工艺参数和适合的原材料。正式量产前还需对产品进行可靠性试验，以进一步确认最佳的工艺与原材料选择方案，并验证试制样品的可靠性是否达到规划要求。
量产阶段需要加强工艺以及原材料的质量控制，并定期对产品进行例行的可靠性试验，以保障批量生产时工艺、材料、产品的一致性和稳定性。到了应用阶段，就应该做好维护的工作，确保产品在产品设计的使用条件范围内使用，并及时准确地收集产品的实际使用的可靠性数据，准确反馈到研制方以便成为产品升级换代时的改进依据。
对于焊点的可靠性工作，建议考虑采用如下的工作思路：
● 收集产品历史经验与现场使用的可靠性数据；
● 分析建立主要的失效模式及其分布；
● 通过失效分析方法寻找产品失效的机理；
● 对新产品新工艺进行可靠性设计，并用可靠性试验验证其设计；
● 通过加速试验获得新设计的焊点的寿命特征；
● 建立加速试验数据或特征寿命和实际使用寿命之间的对应关系，得到评价数学模型；
● 利用数学模型描述产品寿命的变化规律；
● 基于失效机理与数学模型，通过软件仿真在设计阶段预测产品的寿命；
● 用加速试验方法进行产品的可靠性与寿命认证与评估；
● 定期进行可靠性试验，确保产品与工艺的一致性与稳定性；
● 进行现场使用的维护，收集可靠的现场使用数据，为下一步改进做准备；
● 建立故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）。
综上所述，可靠性试验贯穿整个产品的生命周期，在确保产品可靠性的工作中，可靠性试验是其最重要的组成部分，是保证或提供产品可靠性的必要手段。可靠性试验的数据和结论是合理使用产品、正确设计产品、选择制造工艺和实施工艺控制的重要依据。
5.影响焊点可靠性的主要环境应力
焊点是由不同材料通过SMT或THT工艺形成的一个连接点，本身可能因为处于不同的设备中而遇到不同的使用环境，因此，受到的环境应力及其水平都不尽相同。但是根据焊点的结构特点，可以总结出焊点可靠性的主要影响因素有两个方面：一是热应力，即由于使用现场的环境温度变化，或工作状态与非工作状态导致的温度变化，这种温度变化会导致焊点中不同材料之间的不同幅度的应变，这种反复的应力应变会直接引起焊点的失效（见图1.1）；二是机械应力，由于焊点的基本作用就是固定元器件起到机械连接的功能，而设备的使用运输过程经常会遇到振动、弯曲、跌落等规律性的或以外的机械应力，这种应力也会导致应变的产生从而引起可靠性的变化（见图1.2）。此外，长期的高温环境也会导致焊点的老化，金属间化合物的生长引起脆性增加，严重的还会产生Kirkendall空洞（见图1.3），导致焊点可靠性降低。图1.4 是美国空军统计分析的影响互连可靠性的环境应力的影响因子。焊点的可靠性试验将选择主要影响应力来进行。图1.1 热应力对焊点可靠性的影响图1.2 机械应力对焊点可靠性的影响图1.3 焊点高温老化后在金属间化合物界面产生的Kirkendall空洞（SAC405/Cu，175℃×1000h）图1.4 环境应力对互连（含焊点）可靠性的影响因子（Source：U.S.Air Force Avionics Integrity Program）
6.焊点的主要失效模式
经过大量现场的数据收集与分析总结发现，在符合验收标准的合格焊点中，主要的失效模式可以分成两大类：一是疲劳断裂引起开路失效，这种疲劳失效可以是机械应力导致的机械疲劳，也可以是热应力导致的热疲劳失效；另外一种是腐蚀失效，包括化学腐蚀失效与电化学腐蚀失效，这种腐蚀失效可能还包括电迁移过程或绝缘电阻下降。这两种失效模式都与时间有关，随着时间的推移，失效率会逐步增加。疲劳开路失效还可以表现为焊点的阻值增大。腐蚀失效则更多地表现为焊点变色，以及漏电等绝缘性下降。腐蚀失效虽然常见，但与疲劳失效相比要次要得多，并且容易控制或预防，只要将工艺中残留在焊点表面或周围的残留物清理干净，就可以防止腐蚀失效的发生。
需要指出的是，在工艺过程中由于工艺未稳定产生的异常焊点或不合格焊点，不在此讨论之列。因为这些现场问题的产生属于狭义的现场质量问题，产品都不合格根本不能继续谈论可靠性问题。这些质量问题只需通过一般的检测就可以发现，并可通过工艺的优化与材料的选择来改进，如连焊、拉尖、孔洞、润湿不良、立碑等。讨论可靠性或寿命问题通常基于产品符合基础标准的质量基础之上。
7.焊点主要失效机理
看起来简简单单的一个焊点其实并不简单，它包括焊盘、焊料以及引线脚等部分，甚至还包括焊盘下面的基材，以及这些材料之间形成的金属间化合物。形成焊点的过程涉及冶金学、物理化学、材料学等学科的理论。因此，可以说焊点并不简单。由于焊点的结构包括了焊料、焊盘、引线脚以及基材，而这些材料的热膨胀性能各不相同（见表1.1），在焊点所在的设备工作或处于不同的环境时，随着季节与工作状态的变化，焊点会随时遭遇到不同的循环热应力，由于焊点中各材料的膨胀性能的差异，导致遭受不同程度的应力-应变的焊点产生疲劳裂纹，随着裂纹的扩展最终导致焊点开裂失效。如果焊点中再有隐含的缺陷，焊点就会出现早期失效或寿命折损。图1.5就是这种疲劳失效过程的一个典型的例子。表1.1 焊点相关材料的典型热膨胀系数（CTE）图1.5 焊点经过温度循环（-40～125℃，1 cycle/h×1000cycles）前（左）后（右）的切片照片
至于焊点的腐蚀失效，主要与工艺过程中导致的在焊点表面或周围的活性残留物有关，大量的失效分析发现，腐蚀物主要来源于工艺过程中助焊剂的残留，助焊剂中的酸性物质或卤素离子的存在，当它们吸潮后即可形成腐蚀性极强的酸，这些酸性物质很快即将焊点表面或周围的金属变成离子，在设备工作的时候，邻近焊点之间的电位差形成了电场，导致离子的迁移以及电化学腐蚀加剧，最终随着时间的推移，焊点会腐蚀掉并可能在焊点之间长出枝晶（见图1.6），PCB组件就会报废。这种失效现象一般都很有规律，一旦出现问题，整个批次的线路板组件或设备都将失效或遭到破坏。不过，令人感到欣慰的是，与疲劳失效的机理不同，这种失效机理反映的失效模式通常在工艺或材料上采取措施就容易得到控制。而疲劳失效则无法得到彻底的控制，疲劳失效是迟早的事，因此它最终成为焊点最主要的失效机理。图1.6 焊点发生腐蚀以及电化学迁移的SEM照片1.2 电子组件的可靠性试验方法
传统锡铅焊点在向无铅焊点的转换过程中，主要涉及工艺与材料的替换。因此，进行可靠性试验的目的主要是评价新工艺新材料是否满足生产合格组件或焊点的要求，同时也可暴露其中的隐含缺陷，再通过失效分析手段找到缺陷产生的原因，然后实施纠正措施而达到改善的目的，最终目标是获得合格的、至少与传统的锡铅焊点质量可靠性相当的无铅焊点。本章主要讨论具体的可靠性试验的方法、内容以及标准，主要针对互连焊点，不讨论元器件本身的试验方法或技术。1.2.1 可靠性试验的基本内容
电子组件可靠性试验的项目或内容要根据组件的主要失效模式以及可能遇到的环境应力来确定。组件所在的设备的运输、储存、使用环境和使用条件，决定了互连焊点可能遇到的主要应力，焊点的可靠性又因为这些应力的影响而逐渐降低，或者这些应力更容易导致焊点失效。可靠性试验就选择这些应力来进行，考虑到试验的时间及成本，因此，试验又必须针对焊点的主要失效模式并且采用加速应力试验的方法才可以满足要求。表1.2是失效模式与不同性质的应力的关系。针对表中所列的失效模式，安排需要考核的项目以及试验的内容。表1.2 失效模式与应力及可靠性试验的关系1.2.2 焊点的可靠性试验标准
一般情况下，可靠性试验要求验证或测定的可靠性，是指典型条件下或实际使用中一般条件下的可靠性，而不是特殊或极端条件下的可靠性，因此，试验条件应当选择现场使用中最典型和代表性的条件，同时为了取得试验结果的重复性和可比性，试验方法必须标准化。目前许多的可靠性试验方法的标准，大多数都是适用于元器件或设备的，专门适用于焊点的不多，主要有《表面安装焊接件加速可靠性试验导则》（IPC-SM-785 Guidelines for Accelerated Reliability Testing of Surface Mount Attachments）和《表面安装焊件性能试验方法与鉴定要求》（IPC-9701A Performance Test Methods and Qualification Requirements for Surface Mount Solder Attachments），其中上述两个标准中又引用了一些其他的具体的试验方法标准，如JESD22-A104D（温度循环）和IPC-TM-650（试验方法手册）。此外，由于可靠性试验前后还需要对失效判据指标的测试或测量，因此，还会使用到IPC-A-610D（PCBA组件外观可接收标准），以及多款IPC-TM-650（Test Methods Manual 实验方法手册）中的标准。由于导致焊点失效的主要失效模式是温度循环导致的机械疲劳，所以常常使用温度循环作为加速应力，参考标准IPC-9701A来进行产品焊点寿命的评估和预测。
另外，对于便携式产品越来越多的情况，还要考核这类产品耐跌落的环境适应性，这时就需要按照或参考适用于部件的JEDEC的机械冲击试验标准JESD22-B110A（Subassembly Mechanical Shock）和板级跌落试验标准JESD22-B111（Board Level Drop Test Method of Components for Handheld Electronic Products）来进行试验。此外，长期高温也可以促进焊点界面金属间化合物的生长和变化，改变焊点的强度和寿命特征，因此，必要的时候还要开展高温储存试验，这时可以使用JESD22-A103B（High Temperature Storage Life）。
后面章节将针对这些具体试验方法和测试方法进行阐述。1.2.3 焊点的失效判据与失效率分布
要测试评价焊点的可靠性，必须首先给焊点的失效与否下一个清晰严谨的定义，这个定义就是我们在进行可靠性试验前必须明确的“失效判据”。定义失效判据的时候需要考虑产品的可用性以及失效机理。IPC9701标准中给出的焊点失效的定义是电阻增加超过原来的20%，或用事件检测仪在1μs时间内检测到10次电阻超过1000Ω的事件。而IPC-A-610D则规定裂纹达到25%以上为不可接受。另外，对于腐蚀失效的判据，则是外观可以看到明显的变色腐蚀现象，并且绝缘电阻下降值超过原来的10%。以上两个针对主要失效模式的失效标准都是基于失效机理以及功能要求的情况来定义的，因为焊点疲劳开裂是循序渐进的，电阻也随之增大；腐蚀失效则会导致焊点变色以及绝缘电阻下降乃至漏电，引起功能失效。针对某些特殊情况，也可以另外定义失效标准。
由于各个焊点材料、结构以及所受应力水平的不同，哪怕同在一块PCBA上面，也不可能一批焊点在某一时刻同时都失效，它们通常是随疲劳裂纹的扩扩展而逐步失效，因此必然存在分布的问题。由于焊点失效的机理属于磨损失效类，它的失效分布规律可以或最好用威布尔（Weibull）分布来描述，偶尔也可用对数分布来表征。在加速试验中获得的失效数据在威布尔概率纸上处理以得到累积失效率与失效时间的关系函数。根据这个函数方程就可以获得该应力水平下的焊点的特征寿命（63.2%的焊点失效对应的试验时间或循环次数）以及平均寿命（50%的焊点失效对应的时间或循环次数）。在获得不同应力水平下的特征寿命和其分布规律后，就可以获得加速试验的加速因子，再外推即可预测实际使用或典型条件下使用的焊点可靠性寿命了。具体的数理统计分析方法由于篇幅的限制，请参考有关专著。1.2.4 主要的可靠性试验方法
本节将具体介绍几个主要或常用的可靠性试验方法以及几个焊点性能的检测方法，这些检测方法在评价焊点的时候常常需要使用到。
1.热疲劳试验方法——温度循环
由于焊点通常需要面对温度变化的环境条件，比如日夜与季节导致的温度变化，使用与非使用状态的温度变化，位置改变导致的温度变化等，以及焊点的不同材料结合的结构特点，这些温度变化都会导致焊点材料的周期性蠕变，周期性的蠕变则最终会导致焊点疲劳失效，温度循环给焊点所带来的影响可参见图1.5。因此，要基于焊点的主要失效机理，首先选择温度循环试验来考核焊点的可靠性。这种通过加大应力来进行的加速试验的前提是，试验全过程不能改变焊点的失效机理。因此，在选择试验方案或条件的时候，必须考虑应力及其水平的设置。按照IPC9701A的标准给出的条件，温度循环的幅度分为五个等级，即TC1～TC5，低温区最低温度0～-55℃，高温区+100～125℃，优选的条件是温度循环在0～100℃，并且分别在最低和最高温度点处保持10min，升温或降温速率小于等于20℃/min，以保持加速状态的蠕变与实际情况一致。具体情况详见表1.3。表1.3 温度循环试验要求与推荐的条件注：摘自IPC9701A表4-1。
为了确保加速应力条件下的焊点的失效机理与实际使用中的情况保持一致，标准IPC9701A推荐温度循环的温度范围最好选择TC1，即0～100℃。这时候，高温阶段仍然处于典型的PCB的玻璃化温度之下，又不至于改变焊点的损伤机理。当然，在我们能够确认焊点损伤的失效机理不变的情况下，其他的大范围的TC也是可以选择的，并且可以缩短试验的时间。在试验时间的选择上，最好试验到板面63.2%的焊点失效为止，因为这个时候正好对应的是这批焊点的特征寿命，并且可以很好地绘出精度较高的威布尔分布图，求得相关的特征参数。如果试验到50%的焊点失效，这一点对应的时间恰好是这批焊点的平均寿命，这样也是可以接受的。当然，如果焊点的可靠性很好，要试验到使50%或63.2%的焊点失效可能需要很长的时间，这个时候也可以选择试验适当的循环周期数，进行指定周期的定时截尾试验，这是相对于焊点的可靠性水平，可以选择NTC-A的200次循环，也可以选择NTC-E的6000次循环。对于大多数的循环温度范围而言，一般选择NTC-C水平的1000次来进行试验。温变速率要控制在20℃/min以内，1h完成一个循环。同时，该标准建议，为了便于监测焊点的失效状况，在相同工艺的前提下采用菊花链的测试结构来代替实际的PCBA。这样只要工艺与材料不变，得到的可靠性就可以与实际的PCBA的基本一致。
值得注意的是，IPC9701A是2006年版的，该版本引用的温度循环的条件来自于JEDEC的标准JESD22-A104的B版本，而现在最新JESD22-A104的版本已经到了2009年的D版本了。现在简单地介绍一下该标准的最新情况：温度循环的条件已经修改为11种，分别为（单位为℃）A（-55～85）、B（-55～125）、C（-65～150）、G（-40～125）、H（-55～150）、I（-40～115）、J（0～100）、K（0～125）、L（-55～110）、M（-4 0～1 5 0）、N（-40～85）。最低温度允许的误差为（+0，-10）；最高的温度允许误差为（+10/15，-0）。另外，也将最低或最高温时的停留时间改成1min、5min、10min和15min共四种模式。而每个循环的时间长度从小于1h到3h不等，但是对于互连焊点，则推荐每个循环至少时长30min。
具体的试验方法可参考相关的标准。
2.振动试验（Vibration Test）
电子电工产品在运输或使用过程中都可能遇到不同频率或不同强度的振动环境，这对产品中的焊点的可靠性是一个严峻的挑战。例如，车载电子设备会由于车辆的运动而产生振动，由于车辆运行的轨迹、速度、路面状况以及车辆的负荷等不同，焊点所受到的振动频率与振幅也不同。一般情况下，汽车、火车在运行过程中产生的振动加速度小于5.6g，振动频率范围在2～8Hz；民航飞机运行时产生的振动最大加速度可达20g，频率多在30Hz左右。当振动激励造成应力过大时，会使焊点或结构产生裂纹和断裂。长时间的振动形成的累积损伤会导致焊点产生疲劳破坏，如果焊点含有隐含的缺陷或设计不良，则振动试验很容易触发焊点失效。振动试验就是振动台在实验室的环境下模拟各种振动环境，将样品用专用夹具固定在振动台上进行试验，以检验振动对焊点可靠性的影响，确定焊点可受振动的能力。
振动试验一般可以分为随机振动和正弦振动，后者又可以分为振动疲劳试验、扫频试验和振动噪声试验。自然界中的大多数振动属于随机振动，但是由于随机振动的复现性差以及试验的复杂性，许多情况下采用正弦振动来模拟替代。振动疲劳试验常常被用来考察焊点的可靠性，该试验采用固定的频率（如50Hz），振动加速度～10g，在X、Y、Z三个方向上各进行1h的试验。需要注意的是，振动试验中的安装与控制非常关键，特别是固定点、检测点以及控制点的选取，必须考虑试验结果的复现性以及与实际使用情况的吻合。对于焊点的评价来讲，焊点所在的PCBA一般应该参考实际设备中的情况来安装，或固定四个角上的支点。以使焊点在振动时受到充分的激励应力的考核。
由于篇幅所限，关于振动试验的具体试验方法可参考IEC标准、如IEC 68-2-34（环境试验 第2部分：试验方法 试验Fda：宽频带随机振动—一般要求）、IEC 68-2-35（环境试验 第2部分：试验方法 试验Fdb：宽频带随机振动—中再现性）、IEC 68-2-37（环境试验 第2部分：试验方法 试验Fdb：宽频带随机振动—低再现性）以及IEC 68-2-6（环境试验 第2部分：试验方法 试验Fc和导则：振动（正弦）），也可以参考国家标准GB/T 2423-（10～14）。还可以参考JESD-22-A110A（Subassembly Mechanical Shock）和IPC-TM-65.2.6.9来进行，JEDEC标准则是专门针对组件或部件的试验方法，不过它把跌落、震动等对焊点的影响通过不同水平的机械脉冲应力来模拟，也把组件分成自由态和固定态（固定在某些治具上）来分别模拟不同的应力环境。
3.跌落试验
跌落试验主要是考察产品从一定高度上自由跌落下来的适应性和经受这种跌落后的结构或焊点的完整性。随着技术的进步，电子产品越来越小型化，便携式的电子产品越来越多，如鼠标、MP3和手机，这些电子产品在使用、运输的过程中极易发生跌落或甩伤。因此，跌落试验越来越常用来评估焊点的耐跌落的性能。试验进行的时候，主要考虑的条件有试验台面的材质和硬度、跌落释放的方式和跌落的方向、跌落的高度或严酷等级等。对于小样品（如PCBA），试验台面一般采用硬质木地板（地板下为钢筋混凝土），样品的重量大时直接采用钢筋混凝土地板台面。IEC标准规定的跌落试验的严酷等级分为六级，对于小于20kg的样品，跌落高度（严酷等级）在1.0～1.2m。对于小型的电子产品，一般跌落的方向是六个面和四个角朝下分别各跌落一次，共10次。并通过显微镜外观检查或电阻检测来考察焊点的破坏情况。
跌落试验的细节请参考IEC标准IEC 68-2-32（Basic Environmental Testing Procedures Part2：Free Fall）或国家标准GB/T 2423.8（电子电工产品环境试验 第2部分：试验方法 试验Ed：自由跌落）。也可以参照JEDEC的标准JESD22-B111规定的方法，通常选取的试验条件是JESD-22-A110A规定的自由态测试水平条件B（1500G，0.5ms）的脉冲；也可以是条件H（2900G，0.3ms）的脉冲，关于详细的试验程序、样品安装方式以及失效监测方法等在该标准中都有明确的规定。
4.高温储存试验
高温储存主要是用来考查产品在储存条件下，温度与时间对产品的可靠性的影响。对于焊点而言，经常会遇到高温的储存与使用环境，高温对焊点的影响主要体现在促使焊点界面的金属间化合物的生长，金属间化合物长厚的同时，可能还会产生Kirkendall空洞，这时焊点的强度就会下降。就是说高温应力可以导致焊点老化或早期失效。这一加速老化的过程可以用阿累尼乌斯定律来描述。
目前没有专门针对焊点的高温试验的试验标准，一般焊点高温试验条件的选择可以参考JEDEC的标准JESD 22-A103C-2004（High Temperature Storage Life，高温储存寿命试验）。高温应力的水平可以划分为A～G共7个等级（见表1.4），对于PCBA上的焊点而言，一般选择条件A或G，因为其他温度条件可能导致其他新的退化失效机理，如超过PCB基材的T，将导致PCB严重变形，这样会对焊点产生g新的应力，必然导致新机理的产生。此外，部分塑料封装的元器件的焊点也会产生类似问题。另外，由于高温应力单一及受周围的因素影响所限，试验的时间一般较长，都在1000h以上。试验过程最好有检测设备（见疲劳试验部分）进行检测，以便及早发现失效样品。也可以通过切片后用扫描电子显微镜来检查Kirkendall空洞的生长状况或速度，以达到初步评估焊点可靠性的目的。表1.4 高温储存条件
5.湿热试验
湿热试验的目的是确定焊点在高温高湿或有温度、湿度变化的情况下工作或储存的适应性。焊点是一个由焊盘、引线脚以及焊料等不同材料组成的统一体，高温高湿的同时作用，水分会在高温的推动下不断扩散、吸附、溶解等，会促使焊点及其周围发生化学或电化学反应，导致金属加速腐蚀，如果焊接工艺中有助焊剂的残留物，则这种腐蚀则更快、更为显著。湿热试验的失效判据一般是检查外观变色或枝晶生长与否，同时还可能进行功能检查以及绝缘性能的检测，看看功能正常与否和绝缘电阻是否下降到极限值以下。
对于焊点而言，大多选取恒定湿热试验来考察，交变湿热少使用。考虑到焊点可能遇到的环境条件以及试验的时间，湿热条件一般选为：温度40±2℃，93%±3%RH，或温度85±2℃，85%±2%RH。另外，根据产品的可靠性等级或使用寿命长短，可以选取不同的试验时间：48h、96h、144h、240h、504h、1344h，也有选择168h或1000h的。试验的顺利进行还需要有能达到上述试验条件要求的试验箱。
6.电迁移（ECM）试验
随着电子产品向小型化以及智能化的方向发展，焊点及导线之间的间距越来越细，而焊点在形成工艺过程中在其表面或周围会有一定的残留物聚集。当这些残留物中包含有腐蚀性强的离子性物质时，将会给焊点乃至整个PCB组件带来腐蚀和漏电的可靠性问题，这一问题产生的主要机理就是发生了电化学迁移（ECM）。为了评估焊点或PCBA发生电化学迁移的可能性，常常需要针对PCBA工艺过程或相关物料进行电迁移试验。电迁移发生的机理和过程可以简单描述如下：第一步，焊点表面的金属在大气环境下首先氧化形成氧化物；第二步，残留物吸湿并电离出活性离子；第三步，活性离子在空气中水分的帮助下与金属氧化物反应并生成金属离子；第四步，设备工作时焊点之间产生电位差，金属离子向阴极移动；第五步，金属离子移动过程电场反复导致离子结晶析出溶解反复；上述第三步至第五步反复循环，最终产生枝晶及漏电。其中最容易产生电迁移或枝晶的金属元素是银、铅、锡及铜。图1.7是这些枝晶的典型代表。而这种失效往往不是一两个样品的失效，而是整批次的产品都会出故障，导致损失巨大。图1.7 电迁移产生的典型枝晶
评价焊点的生产工艺或材料的电迁移情况，一般按照标准IPC-TM-650 2.6.14.1（抗电化学迁移试验）规定的程序进行。其主要方法简单介绍如下：
首先要在实际的样品上制作标准的梳形电极图形，或参照标准制作标准的梳形电极（间距0.318mm），见图1.8，也可以在实际的PCBA上选择类似的图形进行参考测试。然后使用相应的材料与工艺并且按照正常的工艺流程制作待测样品，再将这些样品接上导线后置于温湿度为65℃，88.5%±3.5%RH（或40℃，93%±2%RH；85±2℃，88.5%±3.5%RH）的试验箱中，稳定96h后，测量绝缘电阻作为初始值，然后通过导线加上10V DC的偏置电压，再在试验箱中保持500h。最后再测量其绝缘电阻并将其与初始值比较，如果不低于初始值的十分之一，并且无枝晶生长（或生长不超过电极间距的20%），焊点无腐蚀，则该PCBA或焊点的耐电迁移能力合格。图1.8 电迁移所使用的梳形标准电极（IPC-B-25A测试板D区）
近来某些研究显示，低的偏压如5V DC更能激发电迁移的发生。为此，一些国际知名品牌的大公司还制定了自己公司内部的电迁移试验程序，例如，美国惠普公司的试验条件就是：温湿度为50℃，90%RH，所加偏压为5V DC，试验时间672h（28天）。
当然，对于可靠性要求很高的产品，其电迁移试验的时间还将被延长到1000h以上，并且连续监视其绝缘电阻值随时间的变化，同时可能还需要进行PCBA的表面离子清洁度的测量，评估离子残留量与电迁移发生概率之间的关联性。
7.高加速寿命试验和高加速应力筛选
传统的正常应力水平或加速寿命试验一般都需时半年以上，显然不能满足日新月异的电子信息产品更新换代对设计品质或工艺品质验证的需求。因此，最早由美国军方研究推出的HALT（Highly Accelerated Life Test）与HASS（Highly Accelerated Stress Screening）试验技术现已经成为电子信息产业快速设计验证与工艺验证的试验方法，试验时间可以缩短到一周左右。由于目前HALT试验还是一种全新的可靠性试验技术，还没有国际标准可以参考，国标也是刚刚出来，因此，本节将较为详细地介绍这一方法。
HALT从名称上看是一种寿命试验，但其更重要的作用是充当产品的设计或操作极限验证的角色。它是一种使受测样品承受不同阶梯应力，进而及早发现设计极限以及潜在缺陷或弱点的程序性的试验方法。利用此测试可迅速找出产品设计及制造的缺陷、改善设计缺陷、增加产品可靠度并缩短上市时间，同时可建立设计能力、产品可靠度的基础资料及日后成为研发的重要依据。通过失效分析手段对HALT发现的缺陷进行分析，再通过设计改进等达到产品可靠性增长的目标。HALT试验的具体内容包括：
● 逐步施加步进应力直到产品失效/故障。
● 采取临时措施，修正产品的失效/故障。
● 继续逐步施加应力直到产品再次失效/故障时，再次修正。
● 重复以上应力—失效—修正步骤，直到不可修复。
● 找出产品的基本操作界限和基本破坏界限。
在HALT试验中，可找到试样在温度及振动应力下的可操作界限（operational limit）与破坏界限（destruct limit）。可操作界限的定义为当实验过程中发生功能故障，在环境应力消除后即自动回复的应力临界点；而破坏界限则是功能故障在环境应力消除后依然存在的应力临界点（见图1.9）。图1.9 HALT试验结果示意图
因此，HALT试验主要用于产品的研发阶段，使用的应力远高于正常运输、储存、使用时的应力，所使用的这些应力一般包括高低温储存、温度冲击、随机振动以及多轴向振动、温度与振动组合应力等。一般HALT的试验程序主要包括：（1）温度步进应力试验：此项试验分为低温及高温两个阶段应力，首先进行低温阶段应力试验，将待测物放于综合环境试验机中，将温度感应线接至欲记录的零件上，并调整风管使气流能均匀分布于机台上，依待测物的电气规格加满载，设定起始温度20℃，每阶段降温10℃，阶段温度稳定后维持10min，之后在阶段稳定温度下进行至少一次的开关机及功能测试，如一切正常则将温度再降10℃，并待温度稳定后维持10min再进行开关机及功能测试，以此类推直至发
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