電子組件可靠性及工藝

陳建民，1960年出生，教授級高級工程師，畢業於西安理工大學。現任西安理工大學可靠性研究院創院院長、特聘教授、行業博士生導師。作為制造業可靠性領域實戰型專家，擁有40余年行業經驗，曾任格力電器技術及出口副總經理、中國家用電器研究院副院長等職。主導構建以可靠性為核心的研發質量體系，是“格力”商標主要原創者，提出“好看、好用、耐用”六字方針、“135精品法則”及“民品十性”等質量理念，首次定義燃爆風險性產品安全可靠性概念。鑒於其工作業績，獲得廣東省及珠海市科技進步突出貢獻獎。構建“三個階段、六個模塊、九個環節、十項特性”可靠性工程理論框架，主編“制造業可靠性叢書”，推動質量管理向全生命周期轉型。持有職務發明專利130余項，參與審定100余項家電國家標準，受聘為多家知名企業技術顧問，舉辦可靠性專題講座60余場，積極推動“產學研用”融合，是制造業可靠性理念普及與實踐的重要推動者。

第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 電子控制組件 1
1.3 PCBA的構成 2
1.4 PCBA組裝的工藝過程 3
1.5 電子組件可靠性 4
1.6 電子組件可靠性在整機可靠性中的重要性 6
1.7 國內外的研究現狀及發展趨勢 6
思考題與習題 7
第2章 可靠性工程基礎 8
2.1 概述 8
2.2 可靠性定義 9
2.3 常用術語 9
2.4 常用可靠性參數 10
2.4.1 可靠度R(t) 10
2.4.2 累積失效概率F(t) 11
2.4.3 失效概率密度函數f(t) 12
2.4.4 失效率λ(t) 12
2.4.5 產品的壽命特征量 13
2.5 產品壽命分布及其類型 14
2.5.1 威布爾分布 15
2.5.2 指數分布 17
2.5.3 正態分布 18
2.5.4 對數正態分布 20
2.5.5 可靠度函數的確定策略 22
思考題與習題 22
第3章 電子組件的可靠性設計 24
3.1 概述 24
3.2 元器件的選型與控制 24
3.2.1 元器件的可靠性等級 24
3.2.2 元器件的選型原則 25
3.2.3 常用元器件的選型指引 26
3.2.4 常用集成電路選型指引 40
3.2.5 電子元器件的選用控制流程 45
3.2.6 電子元器件的可靠性管理 48
3.3 硬件可靠性設計 52
3.3.1 電路可靠性設計 52
3.3.2 PCB可靠性設計 57
3.3.3 降額與容差設計 65
3.3.4 熱設計與熱分析 71
3.3.5 耐環境防護設計 73
思考題與習題 79
第4章 電子組件的可靠性試驗 80
4.1 概述 80
4.2 可靠性試驗分類 80
4.3 環境應力篩選（ESS）試驗 81
4.3.1 ESS的原理及環境應力選擇 81
4.3.2 常見ESS分類 82
4.4 加速壽命試驗（ALT） 83
4.4.1 ALT的實施方法分類 84
4.4.2 ALT的流程及選擇考量 84
4.5 高加速壽命試驗（HALT） 85
4.6 HALT測試方法 86
4.7 HALT裝置 86
4.8 高加速應力篩選（HASS）試驗 87
4.9 HASS試驗過程 87
4.10 可靠性增長試驗 88
4.11 常用PCBA工藝可靠性試驗方法 88
4.11.1 溫度循環試驗 89
4.11.2 振動試驗 90
4.11.3 三綜合試驗 90
4.11.4 焊接可靠性試驗 91
4.11.5 靜電放電試驗 92
思考題與習題 93
第5章 電子組件的工藝可靠性 94
5.1 概述 94
5.1.1 PCBA工藝定義與目的 94
5.1.2 PCBA工藝流程 95
5.2 PCBA工藝的重要性 99
5.2.1 影響PCBA工藝可靠性的因素 99
5.2.2 提升PCBA工藝可靠性的策略 100
5.2.3 PCBA工藝可靠性的測試與評估 101
5.3 PCBA工藝可靠性及其管理 102
5.3.1 PCBA制造工藝可靠性的影響因素 102
5.3.2 PCBA制造工藝管理方法 103
5.3.3 提高PCBA制造工藝可靠性的策略 104
5.4 PCB的材料要求 105
5.4.1 基材材質與厚度 105
5.4.2 銅箔與鍍層 106
5.4.3 阻焊膜與表面處理 107
5.5 工藝溫度管控 108
5.5.1 工藝溫度管控的要點 108
5.5.2 主要的工藝溫度管控點 109
5.6 環境溫濕度及潔凈度的管控 109
5.6.1 管控要點 109
5.6.2 管控要求 110
5.7 靜電與試驗電管控 110
5.7.1 管控要點 111
5.7.2 具體措施 111
5.8 工藝殘留物管控 114
5.9 自由互聯管控 116
5.10 在線檢測裝置可靠性的管控 116
思考題與習題 117
第6章 電子組件失效分析 118
6.1 概論 118
6.2 失效分析的基本概念 119
6.3 電子組件失效分析流程 119
6.4 電子組件失效分析技術及方法 121
6.4.1 外觀檢查 121
6.4.2 電學性能分析 121
6.4.3 非破壞性分析 121
6.4.4 破壞性分析 124
6.4.5 電子組件失效原因及其機理 125
6.4.6 電子組件爆炸失效的檢測流程及方法 131
6.5 常見電子元器件的失效模式 134
6.5.1 電阻類 134
6.5.2 電容類 135
6.5.3 電感類 136
6.5.4 半導體分立器件 136
6.5.5 光電子器件類 137
6.5.6 新型器件 138
6.6 常見電子組件的失效模式 138
6.6.1 開路失效 138
6.6.2 短路失效 143
6.6.3 參數漂移 149
6.6.4 功能損失 153
6.6.5 功能退化 160
6.6.6 漏電失效 164
6.6.7 機械失效 170
6.6.8 電路板燒毀 176
6.6.9 爆炸失效 181
6.6.10 重測合格 185
思考題與習題 188
第7章 電子組裝中的環保 189
7.1 環保在電子組裝中的重要性 189
7.1.1 環境保護的全球發展趨勢 189
7.1.2 電子組裝行業對環境的多維度影響 190
7.1.3 環保對電子組裝企業的多重意義 191
7.2 電子組裝中的主要汙染物及其處理方法 193
7.2.1 廢氣汙染物及其先進處理技術 193
7.2.2 廢水汙染物及其高效處理技術 194
7.2.3 固體廢棄物的科學分類與合理處理 195
7.3 環保材料在電子組裝中的應用 196
7.3.1 環保材料的分類及特性 196
7.3.2 環保材料在電子組裝中的應用實例 198
7.3.3 環保材料對電子組裝工藝的影響 199
7.4 環保型電子組裝工藝 203
7.4.1 無鉛焊接工藝 203
7.4.2 水溶性助焊劑的應用 205
7.4.3 綠色清洗技術 206
7.5 環保法規與標準 207
7.5.1 國際環保法規與標準概述 208
7.5.2 中國環保法規與標準概述 210
7.5.3 歐盟RoHS指令與WEEE指令 211
7.5.4 中國RoHS指令與WEEE指令 214
7.5.5 美國加州65號提案與EPA法規 216
7.6 環保認證與企業責任 218
7.6.1 ISO 14000環境管理體系認證 219
7.6.2 電子組裝企業的社會責任 222
7.6.3 環保認證對企業的深遠意義 223
7.7 電子組裝環保技術的未來發展趨勢 224
7.7.1 綠色電子組裝技術的創新方向 224
7.7.2 電子組裝行業的可持續發展戰略 227
7.7.3 企業應對環保挑戰的策略 228
思考題與習題 229
第8章 電子組件的組裝工藝 230
8.1 概述 230
8.1.1 電子組件的分類 230
8.1.2 電子組裝工藝的重要性及對整機質量的影響 231
8.2 電子組裝工藝概述 234
8.2.1 主要工藝技術 234
8.2.2 主要檢測方式 235
8.3 元器件的預處理 237
8.4 元器件引腳成形 238
8.5 工藝材料與工具選擇 240
8.6 印制電路板組裝工藝 241
8.6.1 SMT階段 241
8.6.2 THT階段 241
8.6.3 後處理階段 241
8.6.4 典型工藝流程 242
8.6.5 通孔插裝技術 243
8.6.6 表面貼裝技術 244
8.6.7 混合組裝（THT+SMT）的兼容性設計 246
8.7 焊接工藝與技術 246
8.7.1 回流焊接工藝 247
8.7.2 波峰焊接工藝 248
8.7.3 選擇性焊接工藝 250
8.7.4 通孔回流焊接工藝 252
8.7.5 浸焊工藝 253
8.7.6 手工焊接工藝與返修技巧 254
8.7.7 波峰焊接與回流焊接工藝參數的優化 256
8.7.8 無鉛焊接與綠色制造要求 258
8.8 先進組裝技術與發展趨勢 258
8.8.1 高密度互連（HDI）與微組裝工藝 258
8.8.2 三維封裝與柔性電子制造技術 260
8.8.3 智能化生產線與工業4.0 應用 261
思考題與習題 263
第9章 典型電子組裝技術及其應用 264
9.1 電子組件焊接過程中助焊劑潤濕性能評估方法 264
9.1.1 焊接界面潤濕演變規律及表示方法 264
9.1.2 助焊劑擴展率的常見範圍 265
9.1.3 影響助焊劑擴展率的因素 265
9.2 染色與滲透試驗在BGA焊點質量分析中的應用 265
9.2.1 表面貼裝焊點界面失效的染色與滲透試驗 266
9.2.2 紅墨水染色與滲透試驗的主要步驟 266
9.2.3 紅墨水染色與滲透試驗的主要優點 267
9.2.4 如何根據紅墨水染色與滲透試驗結果判斷焊點質量 268
9.2.5 染色試驗典型案例分析 269
9.3 電子組件失效分析中常用的熱分析方法 271
9.3.1 差式掃描量熱儀（DSC）在電子組件熱穩定性評估中的應用 272
9.3.2 熱機械分析（TMA）在電子組件熱致變形檢測中的應用 272
9.3.3 動態熱機械分析（DMA）儀在電子組件模量測試中的 應用 273
9.3.4 熱重分析（TGA）在電子組件熱失重分析中的應用 273
9.4 顯微鏡形貌分析技術在電子組件失效分析中的應用 274
9.4.1 光學顯微鏡的工作原理以及主要性能指標 274
9.4.2 掃描電子顯微鏡的工作原理以及主要性能指標 275
9.4.3 光學顯微鏡在電子組件失效分析中的用途與實例 277
9.4.4 掃描電子顯微鏡在電子組件失效分析中的用途與實例 277
9.5 顯微結構分析技術 279
9.5.1 原理 279
9.5.2 掃描聲學顯微技術 283
9.6 微區成分分析技術 285
9.6.1 X射線光電子譜法原理 285
9.6.2 X射線光電子能譜設備和主要指標 286
9.6.3 X射線光電子譜法用途 288
9.6.4 X射線光電子譜法應用案例 289
9.7 電子組件可靠性驗證中的應力測試原理與應用 291
9.7.1 應力影響分析及試驗的基本原理 291
9.7.2 溫度應力試驗 291
9.7.3 濕度應力試驗 292
9.7.4 機械應力試驗 293
9.7.5 腐蝕性氣體試驗、流動混合氣體腐蝕試驗 293
9.7.6 應變電測技術 294
9.7.7 電子行業應力測試常見應用 295
9.8 電子組件可靠性分析高端制樣分析技術：離子研磨技術 296
9.8.1 離子研磨技術的基本原理 296
9.8.2 離子研磨技術在電子組件失效分析中的應用 297
9.9 電子組件可靠性分析技術：聚焦離子束技術 300
9.9.1 聚焦離子束技術概述 300
9.9.2 聚焦離子束技術在電子組件微結構修復與失效定位中的應用 303
9.10 電子組件可靠性分析技術：電子背散射衍射技術 304
9.10.1 電子背散射衍射的晶體學原理與功能特性 304
9.10.2 EBSD技術在電子組件晶界失效與應力分析中的應用 305
9.11 硫化腐蝕行為評估及其在電子組件可靠性研究中的 應用 305
9.11.1 硫化腐蝕反應機理 305
9.11.2 硫化腐蝕加速試驗的設計與標準化方法 305
9.11.3 基於硫化腐蝕的電子組件典型失效案例與可靠性分析 306
9.12 多物理場耦合仿真在電子組裝工藝可靠性優化中的應用 307
9.12.1 有限元分析基本流程與 多物理場耦合參數設定 307
9.12.2 基於有限元分析的焊點失效分析與工藝可靠性評估 309
思考題與習題 312
第10章 空調器電子組件失效案例 313
10.1 概述 313
10.2 空調器電子組件常見失效 313
10.3 空調器電子組件失效案例 314
10.3.1 封裝失效 314
10.3.2 環境汙染失效 317
10.3.3 過電應力失效 320
10.3.4 機械損傷失效 324
10.3.5 環境應力損傷失效 326
10.3.6 焊接不良失效 333
10.3.7 電遷移失效 334
10.3.8 閂鎖失效 335
10.3.9 電化學腐蝕失效 336
10.4 空調器電子組件失效案例分析指引 337
10.4.1 故障排查思路 337
10.4.2 基於不同失效類型的分析 337
10.4.3 空調器電子組件失效案例 對比 338
10.4.4 空調器電子組件常見失效案例匯總 340
思考題與習題 341
參考文獻 342
叢書後記 344