1.1.3 电子组装工艺可靠性概论

此前，简要介绍了电子组装工艺和可靠性的基本概念和内容。我们也知道，电子组装工艺是电子制造的核心环节，组装好的电子产品在应用阶段还有很多可靠性问题，严重影响了产品的品牌和公司的形象及竞争力。经过仔细分析发现，这些可靠性问题不仅与所使用的材料和元器件有关，而且与很多制造工艺过程相关。这些工艺过程导致的可靠性问题又通常是批次性的，往往造成的损失也是巨大的，对于抵抗风险能力不足的中小企业很可能是灾难性的；但是对于航空航天一类涉及国家重点工程的企业来说，这些质量与可靠性问题造成的损失往往不是可以用金钱的损失来计算的。在很多人的基本印象或惯性思维中，认为只要我的设计好（未必是真正的好），加上采购的元器件和材料质量好，再用好的设备就一定可以做出好的、可靠的产品来，然而实际情况经常出乎意料，现实反馈的可靠性问题仍然层出不穷，而且很多都与工艺制程有关。因此，如何把可靠性工程理论和方法应用到电子制造，应用到电子组装工艺过程中去，使得组装制造出来的产品满足设计可靠性的要求和达到消费者或用户满意的目的，从而实现高质量发展的目标，就成为业界广泛关注的议题，这是本书要讨论的核心主旨。为了方便读者更好地了解电子组装工艺可靠性的基础理论和工程方法，本节将首先概要地介绍工艺可靠性的定义、技术范畴及工程方法。

1.电子组装工艺可靠性技术的定义

电子组装工艺可靠性技术是指专门研究解决工艺制造阶段可靠性问题的工程技术。具体讲，就是将可靠性工程方法应用于电子组装制造过程，确保制造的产品达到预期的可靠性设计水平的工程技术。电子组装工艺可靠性的高低度量最终都需要在制成产品（电子组件）于应用阶段中体现出来。根据可靠性工程理论和实践，一个产品的固有可靠性，主要由设计、制造（工艺）和材料（包括元器件）三部分可靠性的贡献构成，其中设计是根本，材料是基础，制造是关键。对于一个产品的研制而言，设计、制造与材料密不可分，设计时不但要实现功能性能，还必须考虑材料的选择与工艺的实施。而工艺实施时必须有好的工艺设计，才能保证产品的可制造性、制造效率、制造质量和可靠性。因此，高水平的工艺可靠性必须从设计阶段就开始，包括材料、流程及设备的选择等，必须考虑影响工艺可靠性的所有相关要素。这体现了工艺可靠性技术是一门综合性和系统性极强的工程学科。

随着电子组件向高集成、高密度、小型化、模块化方向快速发展，电子组装工艺技术与元器件封装技术越来越多地交叉融合，使得组装、微组装及封装的界面越来越模糊，电源模块、通信模块、驱动模块、防雷模块等模块产品的SIP技术、MCM技术应用越来越广泛。工艺可靠性的内容和外延也在不断发展，但是它们的基础工艺技术如基板技术、SMT和THT工艺技术及可靠性方法都是通用的。

2.电子组装工艺可靠性的技术范畴

一个产品的生命周期通常包括概念阶段、设计阶段、试制阶段、批产阶段和交付后的使用阶段，如图1.7所示。图1.7中同时把并行需要做的工艺工作与工艺可靠性要做的工作项目都给列了出来，系统考虑和形象地展现了工艺可靠性技术是如何实施到产品研制过程中的。组装工艺就是把各种元器件安装到PCB上去（当然这个PCB可以是有机、金属或陶瓷基的），包括贴装、插装、焊接、粘接、清洗、涂覆等工艺环节。从产品设计阶段开始，工艺设计就需要同步进行，否则设计的产品很可能无法制造出来，或者制造成本非常高，或者工艺缺陷非常多。工艺设计完成就需要准备设备、材料和工装，并且进行流程和仪器设备的参数初步设置，进而开始进行工艺试验和调制，获得工艺基线和工艺窗口，直到最佳或可以正常生产的状态，最后再开始批产（批量生产），批产阶段需要做的工作就是进行工艺控制，避免工艺波动过大产生次品。这是典型的工艺实施的管理流程。但是按照这个流程，往往还有许多工艺质量问题，以及由于有一些质量问题不能及时被发现而导致的应用阶段的可靠性问题。从对这些可靠性问题的分析发现，很多问题是由于工艺设计缺陷、材料选择不当、工艺优化不足、测试方法无效、设备不稳定及现场管理不到位等导致的，需要采取系统的应对措施。根据我们对这些措施的总结，分别列出了工艺阶段需要做的可靠性工作内容和项目（见图1.7的下面部分），这些项目的有效实施的工程方法集合就是我们现在要讨论的工艺可靠性技术的范畴。

与产品研制的可靠性保证一样，工艺可靠性的工作首先从识别可靠性风险和可靠性需求、编制工作计划和大纲开始，做好总体规划和针对具体可靠性风险点的工作项目规划，读者可以参考已有的标准（如IPC-D-279 Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies）或已有的失效数据和案例库，有针对性地编制每个阶段要做的工作项目和计划。工艺可靠性的基本内容和架构如图1.8所示。

工艺可靠性最重要的工作就是做好可靠性设计和可制造性设计，必要时考虑可安装性设计及可测试性设计。传统的可制造性设计往往只考虑制造效率和良率，即设计好的东西好制造，以及按照目前的标准达到合格的质量标准，而这个标准很多时候只是外观检测和功能性能的合格标准，实际上不是可靠性的验收标准。而潜在的、隐含的缺陷没有及时发现，这些隐含的缺陷或者是视而不见的缺陷，往往会导致后期使用阶段的早期失效。例如，曾经有某公司在制造汽车助力转向的控制板组件时为了减少回流焊时锡珠的产生，印刷了更薄的焊锡膏，结果锡珠变少了，同时也使得片式陶瓷元件的焊点焊锡过薄，按照当时的验收标准是合格的，但最终导致批量产品不到半年就发生早期失效。因为除振动的环境影响外，按照Engelmaier-Wild焊点的疲劳损伤模型，焊点疲劳损伤量与焊点的高度负相关，焊点的疲劳寿命与焊点的高度正相关，过薄的焊锡厚度极易发生早期失效。而工艺制造形成的焊点寿命正是工艺可靠性设计的基本内容，可见可制造性好的设计最终产品的可靠性未必一定可靠。但是大多数情况下可制造性好，容易制造，潜在缺陷少，这时可制造性与可靠性高或可靠性设计做得好就是一致的。案例如图1.9所示，该电路板上钽电容J477附近的片式电阻R1经常在回流焊后“不翼而飞”，这就是不好制造的问题，即可制造性设计不好。其根本的原因就是这个很轻的片式电阻刚好设计在两个大电容的旁边、钽电容本体下面是电容自己焊点上焊锡膏回流时助焊剂挥发产生的气流的通道，气流通道出口是很轻的片式电阻，而且气流最大的时候就是片式电阻焊盘上的焊锡膏黏度下降最厉害且没有形成焊点的时候。所以这不是一个好的可制造性设计，因为片式电阻丢失后需要重做或补焊，增加了质量成本并影响了效率。另外，如果这个片式电阻只是被吹斜了一点而没有被发现，则会影响焊点的可靠性，这就成为了一个不好的可靠性设计问题。所以很多时候，可靠性设计与可制造性设计是一致的，可以同时进行、同时考虑，这样可做到所设计的产品既好制造，制造出来的产品可靠性又高。一个好的可制造性设计还需要尽可能地把工艺窗口做大，让生产更容易。工艺可靠性设计和可制造性设计的内容非常丰富，后面还有专门的章节进行介绍。另外，设计阶段还包括工艺材料的选择、PCB和工艺适装性要求的设计、工艺设备和治具的选择等。

试制阶段就是为量产做准备的阶段，很多公司把它叫作新产品导入（NPI）阶段，也是如何把设计变成产品的关键环节。这里需要解决的主要问题就是材料的准备与工艺优化，并且通过工艺鉴定的可靠性试验技术确认工艺优化结果的可靠性。通常，优化不是一次完成的，可能需要多次迭代，最终的目标是找到最佳的工艺窗口，而且这个窗口还要尽可能大。优化的结果需要可靠性试验来评价，优化的过程需要失效分析技术来支撑，最终固化下来的工艺条件和参数需要工艺可靠性鉴定来确认。

工艺条件固化以后，就可以按照固化的条件开展大规模量产了。为了慎重起见，很多企业还是从小批量生产开始，逐步放大量产规模，直到稳定量产。量产阶段的工艺可靠性工作就是要根据可靠性设计的要求，确保工艺材料和工艺条件的稳定性，以及环境的良好控制，确保规模量产的一致性和稳定可控，其中包括元器件和PCB板材的潮湿敏感度控制和静电防护，保持设备的良好维护和监控，关键工艺材料如焊料、焊锡膏、助焊剂、助焊膏和清洗剂等的质量一致性和稳定性，避免如何可能导致工艺波动超出工艺窗口范围的事件发生。这其中还有很多可靠性管理的工作要做，如全流程失效或不良品的失效分析及其数据管理与利用，标准的制定与维护，供应链品质的可靠性，设备和治具的保养等。

3.电子组装工艺可靠性的主要问题

电子组装工艺主要包括插装、贴装、焊接、清洗、涂覆、灌封、压接、电镀、绑定、测试等环节或工艺过程，每个环节或工艺过程都涉及很多影响因素，包括人机料法环几个方面的内容，任何因素的不良影响都可能会引起工艺的不良和可靠性问题。例如，虚焊假焊、焊点桥连、焊点开裂、填充不足、锡珠过多、残留物过多、腐蚀、阻焊漆变色、焊点空洞过多、元器件损伤、元器件翘曲歪斜、三防脱落、镀层断裂、焊盘损伤等。这些工艺问题又可以分为两大类：第一类是工艺现场可以发现或出厂交付前可以发现、检查出来的问题，达不到我们的工艺质量标准的要求，称之为工艺质量缺陷或不良；第二类就是现场发现不了，出厂后在应用阶段才陆陆续续暴露的问题，称之为工艺可靠性问题，可靠性问题是在工艺阶段就产生且埋伏在产品中的，需要使用一些时间或一定的环境应力去激发才能暴露或发现的问题。图1.10所示是某飞控电脑主板的焊点切片，预计设计寿命为20年，结果不到2年就出故障了。当时按照标准检测并没有发现问题，焊点的孔洞率也没有超标，可是这两个孔洞刚好在应力集中的部位，在周期性的机械和热应力影响下孔洞加速了焊点的早期失效，而这个失效可能会导致机毁人亡的灾难。图1.11所示则是某组件焊点的切片，结果发现该焊点的IMC如此之厚（～10μm），服役期早期失效是大概率事件。这两个案例都是第二类工艺问题，可以通过加强工艺可靠性工作，在正式生产前的工艺优化阶段解决和避免。

品质良好焊点或互连结构在服役期间的主要失效模式或可靠性问题主要是疲劳、电迁移和过应力等导致的失效，这在可靠性概论中已经有论述。工艺可靠性技术的研究和应用主要是要解决第一类和第二类问题。

图1.12所示是一个典型PCBA的SMT工艺过程。我们针对这个过程分析了它每个环节的应力及该环节工艺不良和应力影响下可能的失效模式与机理，如表1.2所示。实际上每个失效模式可能有多种失效机理和原因，如虚焊或假焊，其原因可能是PCB焊盘的可焊性不良，也可能是元器件的引脚或端子问题，还有可能是焊料或助焊剂的问题等。本书的后面部分会有很多这方面的典型案例，以及针对这些案例的分析，这里不再一一展开了。

4.工艺可靠性工程方法

为了预防和控制这些工艺可靠性问题的发生，下面分别简要介绍一些典型的、常用的可靠性工程方法，有些方法是针对产品设计的可靠性方法，但应用于工艺阶段也是通用的，由于篇幅的限制，不能穷尽所有方法，只要对解决或预防工艺可靠性问题有所帮助的方法就是值得提倡的。

1）工艺可靠性设计

工艺可靠性设计就是为保证工艺流程能够可靠地生产出符合产品可靠性指标要求的产品而进行的一系列分析和设计。因此，工艺可靠性设计需要与工艺设计和可制造性设计紧密结合，并行开展。工艺制造最终要服务于产品设计目标的实现，不能指望通过工艺可靠性的提高来提升或突破产品的固有可靠性水平，这是在产品可靠性设计时已经确定的了。工艺可靠性设计首先要根据产品可靠性的指标要求，明确工艺产出的成果——电子组件的应用需求（应用剖面）和应用部位的环境条件（微环境），以及工艺可靠性的指标要求，从而展开各种分析、设计活动。

工艺可靠性设计的主要内容包括以下三个方面。一是工艺材料的选择，元器件与PCB可焊性涂层的选择，耐热性、适装性等影响可靠性要素的确定和标准化，这些内容在本书的后续章节分别介绍。二是针对工艺过程产生的各种可靠性问题进行有针对性的设计，并制定相应的各种设计准则，以避免类似问题出现。这也就是我们常说的基于失效物理的设计，这种设计要取得成效，需要首先针对失效和工艺缺陷深入进行失效机理和原因分析，获得清晰、准确的机理和原因，而且设计采取的控制措施是针对这一类失效模式而不是个案。例如，针对电化学腐蚀导致迁移漏电失效模式的设计，就是要制定措施控制组件电路表面或内部的离子残留量到一个可以接受的程度，以及降低最小电气间隙或最容易发生迁移的相邻电极之间的电位差，或者增加电气间隙和爬电距离，这里还牵扯到材料的选择和工艺条件的影响，还有可靠性寿命要求的时间内材料退化和离子污染增加速率的影响。因此，可靠性设计是一个系统而复杂的技术过程，这里可使用PFEMA（工艺过程失效模式及影响分析）工具方法来帮助设计，某公司PFEMA的案例如表1.3所示，可用根据风险优先顺序号的大小排列，采取针对性的有效措施。一个好的PFEMA应用，需要研发设计、可靠性、工艺、品质和失效分析相关的经验丰富的技术人员参与，切忌流于形式。三是基于良好工艺条件下，针对工艺产品组件的主要失效机理的寿命设计。电子组件的寿命和可靠性的要求来自于产品的要求，因此工艺制造的各种互连结构（主要就是焊点）的寿命必须达到和超过产品使用寿命和可靠性的要求。由于互连结构或焊点在长期服役情况下的主要失效机理是热或机械疲劳失效，通常的做法是基于Engelmaier-Wild或Coffin-Mansion模型，制作能够代表实装板组件结构的测试结构（为了方便监测，一般制成菊花链形式），参考标准IPC 9701的可靠性试验条件和方法，进行寿命和可靠性评价。如果可靠性指标达不到要求，则需要重新选材和进行焊点的结构设计，最终实现可靠性寿命指标要求。具体的一些可靠性设计方法，可以参考有关的专著或标准，目前已经有了一些可用的包括工艺可靠性设计的软件工具。

2）可制造性设计

前文说过，工艺的可靠性设计与可制造性设计是并行且密不可分的，前者主要是解决工艺的质量和可靠性问题，后者重点是解决制造工艺的效率和成本问题。可制造性做得好的电子组装工艺，不仅效率高而且成品良率也高，根据可靠性工程的理论，良率高的产品潜在的缺陷就更少，可靠性更有保障；另外，方便制造的设计也必然使犯错的机会更少，工艺的窗口更大。因此，可制造性设计成功的关键指标是工艺窗口大和良率更高。其主要内容包括焊盘结构和布局的设计、工艺边和拼版的设计、板面热与气流均匀平衡设计、大小元器件布局设计、防应力损伤设计、隔离槽和排气孔的运用、散热器安装、印刷钢网的设计、阻焊的选择和工艺方法的选择等。这方面IPC已有相关的针对不同封装类型的元器件的设计标准，如IPC2221（印制板设计通用标准）、IPC7093（BTC）、IPC7094（Flip Chip）、IPC7095（BGA）和IPC7525（钢网的设计）等。更重要的是，需要不断总结和制定、完善自己的设计准则，即使已经有商用比较好的设计软件工具。

3）工艺辅料选择与应用

组装工艺上使用的辅料主要包括焊锡膏、焊料、助焊剂、助焊膏、三防漆、清洗剂、灌封材料、热管理材料等。这些材料选择和使用不当可用造成批次性的可靠性问题，进而造成难以承受的损失。因此，需要在符合通用技术质量标准的基础上，根据要组装的产品的可靠性要求和工艺特点，增加或完善这些材料的考核标准和使用要求。例如，对于电气间隙小而电场强度大的电源产品，如果选用不清洗工艺，则必须使用低残留的焊锡膏进行焊接，还需要很好的工艺条件配合，以及严格的电迁移试验的验证，并在来料一致性方面有严格的质量保障措施的配合。实际上，工艺上使用的这些辅助材料的选择必须在实际的工艺应用验证中进行充分的可靠性试验，包括同时使用的不同材料之间的兼容性考核，以及加强对供应商的品质管理。本书的后续章节将做进一步讨论，这里不再赘述。

4）元器件工艺适装性保证

元器件要保证可靠地组装到PCB上去，除了需要有好的工艺条件和材料保障，还需要元器件有好的适装性，包括引脚的可焊性、共面性、耐焊接热、无引线端子耐熔蚀性、耐热变形和锡须生长等。可焊性不好的元器件，虚焊的可能性极大，而且很多封装形式的焊点在焊接后不容易检测，如果虚焊又检测不到，就会导致产品的应用阶段产生可靠性问题。可焊性往往取决于引脚基材和镀层的结构和成分，镀层太薄或致密性不好容易氧化和污染，导致可焊性快速劣化；纯锡镀层还容易生产锡须而引起短路风险；镀金镀层虽然耐储存但又容易导致焊点金脆发生，引起可靠性问题等。现在先进封装的大阵面的芯片本体很薄，焊接元器件热变形严重容易导致引脚或球形端子共面性不良，最终导致虚焊等。因此，必须加强元器件工艺适装性的保证和控制，从元器件供应商产品选择认证，到来料的运输老化储存管理都要有相应的控制措施予以保证。这部分内容本书后面的内容会有专门的深入讨论。

5）PCB适装性保证

良好的电子组装，对于PCB而言，除了需要有电气性能、物理化学性能与环境适应性，PCB还需要有很好的适装性，包括焊盘表面处理的可焊性、PCB内部互连在焊接热应力下的结构完整性、阻焊漆的质量、热翘曲和变形等。PCB的表面处理包括HASL、ENIG、ENEPIG、OSP、Im-Ag、Im-Sn等，各有优缺点，需要根据工艺条件和产品可靠性要求来选择。PCB的内部互联主要包括埋盲孔和通孔，在多次焊接热应力条件下，容易产生分层爆板和互连开裂导致互连电阻增大甚至开路，引起无法弥补的可靠性问题，需要在供应商工艺认证和来料检测时加强把关。差的阻焊漆在焊接的阶段发软黏性增加容易吸附助焊剂残留和锡珠，影响产品的长期可靠性。PCB热变形容易导致虚焊和部分焊点的应力集中，也是可靠性的重要风险来源；如果PCB基材吸湿性强加上镀通孔的工艺不良还很容易产生CAF （导电阳极丝生长）和孔铜断裂风险，高可靠性要求的产品，在板材的选择时必须加强对这方面的考核和认真地加以管控。相关内容本书后续有专门的章节予以讨论。

6）静电与潮敏防护

由于电子组装的环节多，而且使用了很多的静电敏感器件。很多器件的损伤或失效都是由于生产组装制造环节的静电防护不足所导致的。另外，元器件大多数是潮湿敏感的塑封器件，在组装环节的储存和使用过程中容易发生吸湿而在焊接高温下发生本体内部压力激增引起分层，即发生所谓的爆米花效应而失效。因此，静电和潮湿敏感引起的问题就都成了工艺可靠性关注的一部分，这样才能确保工艺过程不会给组件上的元器件带来实质性的损害。静电可参考ANSI/ESD S20.20或IEC61340建立管理体系进行严格管理，潮湿敏感器件参考IPC JEDEC J-STD-020E和J-STD-033D进行严格管理。

7）基于失效物理的工艺优化

包括可靠性设计与可制造性设计的工艺设计初步完成后，量产前，需要对工艺的参数做优化，优化的目的是要找到工艺生产的最佳工艺参数和工艺窗口，工艺窗口就是工艺参数可以变化或波动的范围，超出这个范围就可能导致不可以接受的结果。最佳工艺参数最好理解，就是在此条件下，可以生产出最好的质量和高可靠性的产品来。但那是理想状况，因为随着量产的持续，很多因素包括人、机、料和环境等都可能有一定的波动，所以最佳状况就是找到一个合理的工艺窗口。传统的工艺优化是通过多因子交叉进行试验设计（DOE）的，对于影响因子少的工艺过程比较好实施，对于影响因子比较多的工艺环节如回流焊，DOE就比较费时费力，成本高。这样，我们建议在所积累的经验的基础上，开展基于失效物理的工艺优化，来实现上述目标。基于失效物理就是针对所选材料和工艺基础开展试制，并且针对试制产品进行工艺分析和测量，寻找不良、失效或不足的机理和原因，采取针对性的改进，几次迭代后就可以找到最佳条件了，在最佳条件的基础上再变动或调节工艺参数的变化，调节参数时要考虑设备本身的工艺稳定性误差。每个关键参数或有可能在量产期间发生波动的参数都要认真试验和核实，确保结果可以重复，找出参数可以变化的范围。做好基于失效物理的优化，需要有很好的工艺原理知识和丰富失效分析经验的支撑。如BGA器件的回流焊接，需要具有对软钎焊的基本原理和回流焊工艺以及可能不良的焊点做分析的能力，良好的BGA器件焊点不但要没有空洞、润湿良好、金属间化合物的成分和形貌结构良好，还要焊料球的高度和宽度处于一个最佳比例，这些结果或指标通过一个好的金相切片就可以得到。而这些指标与回流工艺参数回流曲线密切相关，当产生空洞的时候知道分析空洞产生的原因，也就知道怎么调整参数，如增加预热的温度或延长回流的时间让空气从熔融的焊料球中全部跑出来；如果IMC过厚，则应该知道焊接的热量过大了，需要降低焊接回流的温度或减少时间等。总之就是要对工艺结果和过程进行物理分析，再根据分析结果与工艺条件的逻辑关系进行优化调整，最终目标就是要获得工艺的最佳条件和工艺窗口。这个方法需要强大的失效分析技术来支撑，最大的好处就是快速低成本地获得看得见的好结果。

8）工艺可靠性鉴定

产品样机设计完成后通常需要做设计鉴定，就是鉴定所设计的产品是不是满足设计要求。但是设计好通过鉴定的产品，并不一定能够量产，即使生产出来可靠性问题也很多，良率也不高，其主要原因就是制造样机和工艺批量生产仍然有工程问题需要解决，包括供应链准备、物料准备、设备调试、环境准备、试制与优化等。工艺优化以后，基本质量问题解决了，但是不是仍然有潜在的缺陷我们没有发现？这时就需要做一次工艺的可靠性鉴定工作，如电子组件的各种焊点除了外观检查、力学测试以及金相分析，通过增加温度循环或温度冲击（考核热疲劳特性）、振动（抗振动应力）、跌落（对易跌落的产品）、高温储存（考察Kirkendall空洞和IMC生长速度）、高温高湿（考核绝缘性退化）等环境应力，激发可能存在的潜在可靠性问题，如果没有发现这些问题，则说明在该工艺条件下生产的电子组件是可靠的，相应的该工艺就是可靠的，通过这样的工艺可靠性鉴定，就可以稳定地生产出可靠的产品，技术状态就可以固化下来。可靠性鉴定的方案要基于整机产品的可靠性要求和环境适应性要求来进行设计。当然，后续的重点工作就是密切监控工艺的波动，是否波动在我们所设定的工艺窗口内。任何变动，包括材料的变更或设备、环境的的变化都需要重新进行鉴定。

9）工艺可靠性仿真

随着数值计算方法和计算机技术的快速发展，各种针对电子组装仿真分析的软件工具越来越多，其中有限元仿真技术已经成为电子组装工艺可靠性分析最为常用的数值工具，可以对电子组装工艺过程和各种振动、温度和湿度等工作环境进行模拟分析，研究它对工艺过程及其产品可靠性的影响，避免或减少了大量的实验，大大提高了工艺可靠性保障的效率。

有限元仿真技术可应用于电子组装工艺可靠性工程相关的工艺可靠性设计、工艺参数优化、互连可靠性评价、失效根因分析等各环节。在工艺设计方面，基于有限元仿真可研究物料选型（如焊料和PCB材质）、结构（封装结构、尺寸）、布局（元器件在PCB版图布局）等对板级互连工艺实现及互连可靠性的影响，从而支撑确定设计优化方案；在工艺优化方面，可针对电子组装工艺过程，如典型的回流焊接工艺，研究焊接参数，焊接温度、焊接时间、加热和冷却速率等对板级互连成型的影响规律，确定关键工艺参数及影响机理，提出工艺改进方案；在互连可靠性评价方面，可研究不同环境应力加载条件，如振动、冲击、热循环等对互连可靠性的影响，实现PCBA产品互连可靠性仿真评价，预测互连焊点的寿命；在失效分析方面，依据失效样品的应力历程，通过仿真试验复现失效模式，明确失效位置、影响因素及影响机理，支撑产品失效根因复现和预防控制措施制定等。本书后续有专门的章节讨论仿真技术在工艺可靠性方面的应用，在此不再赘述。

10）可靠性试验与失效分析的应用

可靠性试验和失效分析分别是可靠性工程中极重要的两大基础学科和工程方法，前者主要是评价产品的可靠性水平和发现可靠性问题，后者主要是利用各种物理和化学技术分析失效品的失效机理和查找失效原因，它们可以共同协同用于设计验证和工艺验证。作为共性的可靠性工程方法，它们可以应用于工艺过程，发现和评价工艺可靠性水平和发现工艺可靠性问题，分析可靠性问题，为解决工艺可靠性问题提供强有力的支撑。通过对工艺和组件失效分析，可以及时获得失效机理和原因，并据此制定设计规则，进行可靠性设计或进行工艺优化，甚至可以优化可靠性试验方法和测试标准。因此，如果有一个很好的可靠性试验和失效分析平台，就可以大大提升我们的工艺可靠性工程能力。关于可靠性试验与失效分析在工艺上的应用，本书的后续章节将有更为详细的介绍。

5.工艺可靠性的发展趋势与挑战

随着电子产品不断向高密度、多功能、小型化、大功率方向发展，半导体封装技术也发生了很大的变化。SiP、POP、MCM和Chiplet等新型封装形式越来越普及，电子封装与微组装以及板级组装的技术界面越来越模糊，工艺技术难度越来越大，带来的可靠性问题越来越复杂，需要在实现大规模工艺量产的同时还需要确保高良率和高可靠性，这就给工艺可靠性带来了巨大的挑战，特别是高密度高功率以及高速信号传输的产品的工艺实现就变得非常困难，如果工艺良率和可靠性不高，企业就失去市场竞争力。因此，工艺可靠性的工作将成为制约电子制造业快速发展的关键因素，得到越来越多的重视，同时，工艺可靠性技术的发展将成为高密度新产品大规模量产的关键技术。半导体先进制程代工产业的发展经历已经给我们带来了很多启示，只有不断重视工艺技术和工艺可靠性技术的开发和应用，才会在电子制造业上取得竞争优势。根据目前产业发展的态势，工艺可靠性需要在以下几个方面取得突破和进步才能跟上产业发展的需求。一是工艺可靠性设计技术，设计是根本是源头，决定工艺可靠性的最高水平。新材料、新工艺和新结构的不断涌现以及热管理的发展需求，需要发展更先进的仿真工具和提升工艺仿真技术水平，及时查找复杂组装工艺、复杂结构的可靠性薄弱环节，并进行优化设计。热、机械、结构和变化的工艺过程的仿真涉及多应力耦合的动态过程，需要联合行业的力量攻关。二是工艺可靠性分析技术。工艺可靠性分析可以提供工艺失效的各种机理和数据，为工艺改进和工艺仿真提供数据支撑。而新材料与复杂的工艺过程和组装结构特点，导致分析难度加大，手段需要与时俱进，本文后面也新增了一些新技术的介绍。三是新材料技术。更可靠的工艺需要更可靠、性能更好的材料来保障和支撑，包括更低残留的高润湿性能的焊锡膏技术，更高散热性能的热管理材料，更好的三防材料技术、低温焊料技术，以及更好性能的更可靠的基板技术，等等。四是不断开发先进的组装工艺设备。开发高精度、高稳定性和重复性的先进设备，包括高精度并能实时监控的贴片机、印刷机、选择性波峰焊设备、真空回流焊设备、点胶设备等，以满足更高精度和更多应力敏感的高密度封装元器件的组装需求。