内容摘要：现代电子制造工艺可靠性问题是随着现代电子制造技术的迅速发展而发展起来的一门新的技术体系。本文扼要地介绍了现代电子制造工艺可靠性理论体系的形成过程。根据现代电子产品制造过程中所面临的工程问题，分析了现代电子制造工艺可靠性的研究对像、研究内容，研究特点、研究方法及其加强工艺可靠性研究的现实意义。

关键词：电子制造；电子装联；工艺可靠性。

现代电子制造是以微电子学器件的大规模应用为标志，这也是现代电子制造有别于传统电子制造的主要点。

随着微电子学器件突飞猛进的发展，从而导致了现代电子装备安装结构和技术也正在朝向“高密度化、多维化、模组化……”的道路上疾驰。现代电子装备的“安装技术”已从传统的“组装技术”脱胎换骨地发展成为一个全新的应用性学科理论体系。要说在传统的“组装技术”时代，一个电子组装工程师，只需要了解装备的结构原理和构成，按照设计预定的可靠性期望值和目标，依靠经验积累就能将其组装成独立的产品。在传统的组装和电子互连过程中，影响工艺组装质量的因素相对比较单一，工艺研究的范畴仅局限于工艺过程控制、工艺方法、工艺管理等行为科学的经验积累，而产品的可靠性大部分是由产品设计所左右。随着时间的流逝，电子产品更快、更小、更廉价的要求推动了电子工业革命。不断缩小的封装很快使周边引线的方式走到了极限，因此，当面阵列封装成为关注的焦点时，“封装革命”开始了。板上芯片（COB）、有机基板上的倒装芯片技术(FCOS)和芯片尺寸封装(CSP)也成为减小组装尺寸技术的一部分。直接芯片粘接或倒装芯片技术把芯片直接连接到PCB板上，几乎摒弃了传统的组装方式，完全改变了传统产品制造技术的格局，产品的可靠性更多地依赖于组装和电气互连的工艺可靠性…。这一切都构成了现代电子制造工艺可靠性的技术内容，极大地丰富了工艺可靠性理论使之成为了一个独立的理论体系。

事实上，在高科技电子装备的制造过程中，所需材料与工序的变化范围之广，即使是业内的行家有时也不甚了解完成其最终产品所需的其他领域的材料与工序。例如，电子组装制造的原材料与工艺，包括从硅半导体器件制造到电路板的制造和组装技术、不同基板和元器件的安装技术，以及越来越受到关注的环境问题等…。这些除了高技术专家等业内人士之外，大多数人是不甚了解的。这正说明了加强对现代电子工艺技术理论体系的研究是何等重要的。

一项电子产品或装备的工艺可靠性问题，存在于产品在工厂生产和市场服役的全过程。因此，日本有专家针对上述情况，给出了下述的描述：

⑴ 产品在企业内发生的不良称为缺陷；

⑵ 产品投放市场服役期发生的性能异常称为故障。

不管是缺陷还是故障，产品发生的这些不良，在剔除外部的元器件和材料等的不良因素外，剩下的均属内部的产品制造问题，与工艺的不良紧密相关。因此，我们都可将其列入工艺可靠性的研究范围来解决。

基于上述描述，归纳起来，我们可以把电子产品后工序中所发生的将要影响系统可靠性的各种质量现象统称为现代电子装联工艺可靠性问题。

电子产品是由各种电子元器件组装而成，在组装过程中最大量的工作就是软钎接。软钎接的可靠性直接威胁整机或系统的可靠性，因此，软钎接的可靠性已成为影响现代电子产品可靠性的关键因素。它直接关系到国计民生各行各业电子产品的可靠性和军事装备的正常运转。有人说：在现代高度信息化战争中，军事行动成败的关键，就取决于电子装备的精度和可靠性。这就是为什么世界各国都非常重视软钎接技术可靠性研究的原因。

此类缺陷都是发生在产品的工厂制造过程中，它具有显性特点，即大部分是肉眼可见的。在工艺过程控制和检验（含电测）中能够发现的缺陷，这类缺陷从检测方式上可分为两类，即

① 在目视检验中能发现的外观缺陷。如桥连、拉尖、润湿不良、针孔、少“锡”、多“锡”、元器件损伤等。

② 电性能检验中发现的性能异常。如短路、虚焊、冷焊、内部开路，参数飘移等。

通常这类缺陷大部都可以通过修理予以排除。只有少数在目检中不可能发现的所谓潜在的蜕变因素，或返修不完善的“合格品”一旦流入市场后，便构成早期失效故障。早期失效故障可以通过对产品制造过程进行严密监控来加以抑制。

电子产品在进入用户服役工作后发生的故障，几乎都具有隐性的特点，即产品卖给用户要经过一定的时间后才因焊点失效而发生电气故障。一般这种潜在的蜕变因素很少能在电子产品的制造过程中引起明显的缺陷，但它却是未来性能异常的潜在隐患。

产品在用户服役过程中随着时间的俱增，一旦在焊接处潜伏着的这些蜕变因素，再加上各种环境条件的综合作用，就会加速恶化而形成故障。这种在有效寿命期内发生的故障现象，因具有不经常出现和不可预测的属性而称之为随机故障，它构成了现代电子产品在有效寿命期内发生的主要故障模式。然而，这并不意味着故障没有特有的根源，或者故障的发生是不可避免的。

高密度面阵列封装器件(μBGA、CSP、FCOB等) 和微型元器件(0201、01005、EMI等)在工业中的大量应用，“微焊接”技术对在完成高密度组装中的可靠性的影响，愈来愈发挥了更大的作用。其特点是：

⑴ 由于焊点的微细化，人手不可能直接接近，基本上属于一种“无检查工艺”。因此，必须要建立确保焊点接触可靠性的保障系统(对制造系统的要求)。焊点内任何缝隙、异物等都会成为影响接续可靠性的因素(对接合部构造的要求)。

⑵ 在再流过程中由于热引起的BGA、CSP或PCB基板的变形翘曲均会导致焊点钎料空缺，并把大量残留应力留在钎料连接上，造成产品的早期故障。因此，研究芯片封装和PCB在再流焊接过程中的变形规律及其抑制措施对提高产品的可靠性有着特殊的意义。

⑶ 在封装芯片与基板的二级互连微焊接过程中，如何控制其冶金物理过程，确保生成的金属间化合物层(亦称合金层或IMC)的厚度和成分均是在焊点可靠性要求的范围之内。

⑷在已焊好的BGA、CSP球阵封装的二级互连微焊接焊点中，为避免在应用过程中因IMC层厚度及金相组织发生变异，导致微焊点因可靠性蜕变而失效。因此，研究和掌握其蜕变机理及其对策，对延长焊点的工作寿命有重大的现实意义。

⑸ 研究微焊点在各种恶劣环境中工作的可靠性问题及其加固措施。

⑹ 分门别类地深入研究各类芯片封装的微焊点与PCB焊盘互连工艺的优化，对确保焊点可靠性的影响程度是必要的。

⑺ 研究组装工作环境因素对微焊点可靠性影响的统计学规律。

⑻ 研究球阵封装芯片二级互连焊盘的表面处理类型，对“微焊点”焊接质量及可靠性蜕变的诱导作用。

⑼ 焊盘设计：包括形状、大小和掩膜界定，对于可制造性和可测试性（DFM/DFT）以及满足制造成本和可靠性等方面的要求都是至关重要的。

⑽ 推进“微焊接工艺设计”：所谓“微焊接工艺设计”，就是用计算机模拟焊接接合部的可靠性设计，从而获得实际生产线的可靠性管理措施和控制项目；对生产线可能发生的不良现象进行预测，从而求得预防不良现象发生的原因。

⑾ 0201、01005元件的推出，蜂窝电话制造商就把它们与CSP一起组装到电话中，PCB板尺寸由此至少可减小一半，间距可小至150μm。处理这类封装相当麻烦，要减少后工艺缺陷（如桥接和立碑）的出现，焊盘尺寸优化和元器件间的间距是关键。

电子组装的可靠性依赖于各个元器件的可靠性以及这些元器件界面间的力学、热学及电学的可靠性。这些接触界面，表面贴装焊接层是唯一的不但提供了电气连接，还提供了电子元器件到PCB基板的机械连接，同时还有元器件严重发热时的散热功能。一个单独的焊点很难说可靠还是不可靠，但是电子元器件通过焊点连接到PCB板上后，这个焊点就变得唯一了，也就具有了可靠性的意义。

钎料中的晶粒结构本来就是不稳定的。锡铅钎料的重结晶温度是在其共晶温度之下的。晶粒尺寸随着时间的增加而增大。晶粒结构的生长减少了细晶粒的内能。这种晶粒的增长过程是随着温度的升高及在循环载荷中输入的应变能的增加而增强。晶粒的生长过程到达某个特定点时便会显露出累积疲劳损伤的迹象。这种迹象在对焊点进行加速试验时，比焊点在工作环境中使用时表现的更为明显。

污染物，像铅的氧化物及助焊剂残留物，绝大多数滞留在晶粒的边界处。随着晶粒的生长，这些污染物的浓度在晶粒边界处增长，因此会延缓晶粒的生长。当其消耗掉钎料约25%的疲劳寿命后，在晶粒边界的交叉处就可以看到微空穴；当消耗掉约40%的疲劳寿命后，微空穴就会发展为微裂痕；这些微裂痕相互聚结形成大裂痕，最后会导致整个焊点的断裂。

焊点常常连接的是特性不相同的材料，从而导致整体热膨胀不匹配。作为主要材料的钎料，在特性上与焊接结构材料有很大的不同，从而导致局部热膨胀不匹配。热膨胀不匹配的严重性以及由此造成的可靠性隐患，依赖于电子组装工艺的设计参数和工作使用环境。

据现代通信终端产品的生产和应用中的数据统计，所发生的故障和失效总数中约有80%是属于软钎接不良所导致的，而在软钎接不良中几乎又有85％的故障和失效是源于 BGA、CSP等芯片的焊接问题所造成。显然，解决现代电子产品制造中的可靠性问题，首先就是要解决软钎接中的不良，而解决软钎接中的不良问题，最突出的就是要关注BGA、CSP等球阵列封装芯片的焊接问题。显然，研究解决电子产品后工序的软钎接及其加固等问题，对整个电子产品系统可靠性的影响权重正在快速地与时俱增。而现代电子装联可靠性问题也愈来愈成为影响整个产品系统可靠性的核心。

现代电子装联工艺可靠性的最突出的特点是：

日本现代电子装联工艺技术专家田中和吉说“现在已有许多专著以数学为基础来论述可靠性问题。但是，这些专著难免流于形式而脱离实际，远未能触及焊接的具体问题。我们认为通过总结以往多次失败的教训和积累解决问题的经验，更容易加深理解。任何人都不愿意亲口说出自己的失败，那是因为成功之谈既体面又富有魅力。但是焊接却是实实在在的工作，非亲身实践是不能理解其难度和要领的。所以，即使是失败的教训也可以借鉴。”

随着新的芯片封装不断进入工业应用，由于目前工艺可靠性技术措施的缺失，电子产品在服役期间人们将不断遭遇一些新的故障现象。为了更好地掌握和分析这些故障出现的形成原因和机理，人们需要寻求更多的新的技术理论来支持，例如金属偏析理论、黑色焊盘理论、金脆理论、金属离子迁移理论、钎料的电子迁移理论、锡晶须生长理论、爬行腐蚀理论、柯肯多尔(Kirkendall)空洞理论、工艺可靠性蜕变理论等。它们的集合便构成了现代电子装联工艺可靠性理论体系的重要组成。

上述列举的金属偏析理论、黑色焊盘理论、金脆理论、金属离子迁移理论、钎料的电子迁移理论、Sn晶须生长理论、爬行腐蚀理论、柯肯多尔(Kirkendall)空洞理论、工艺可靠性蜕变理论等都是构成产品在用户服役期间可靠性蜕变的潜在因素。在其中有些是大家熟悉的，也有些是还尚未遇过的，例如钎料电子迁移所导致的失效。

人们为了更好地分析缺陷和故障现象，往往都要通过微观分析手段，深入到分子和原子级的微观组织结构中去提取信息。因此，要求工程师们能充分掌握相关的微观分析手段，诸如金相切片的焊点内部微组织结构、能谱分析(EDX)、电子探针(EPMA)、扫描电子显微镜（SEM）、激光声学扫描显微（SLAM）、X射线衍射分析(XRD)、透射电镜（TEM）、波长色散光谱仪(WDS)、自动断面X射线探伤、扫描声学显微镜（SAM）的内部微裂纹、付里叶红外光谱的非金属污物成分等。通过对获取的图像的判读和识别，迅速搞准失效模式和机理，使缺陷和故障能迅速得到正确的解决。

现代电子制造中的缺陷和故障的迅速而准确的解决，决不是依靠一、二门学科知识所能解决的。往往一个案例的圆满突破，需要综合运用物理的、化学的、电子的、机械的、冶金的、热学的、气候和环境的、地理的等多学科知识的配合，才有可能使缺陷或故障发生的根源得以准确的定位而避免盲目性。