第一章:电子组件可靠性概述

电子组件可靠性试验、失效分析技术及案例研究

第一章 电子组件可靠性概述

邱宝军
课程目的 本课程从影响电子组件可靠性的三个构成部分出发，首先分析电子组件在整个生命周期的常见应力及失效表现，并针对电子组件可靠性的三个组成部分的可靠性问题进行详细分析，分别介绍了电子组件工艺质量评估，焊点热疲劳失效机理及评价方法；焊点过应力失效机理及评价方法；PCB常见失效问题及控制方法，电子组件电化学失效机理及评价方法；电子元器件主要失效机理及控制方法等。 课程重点为：
电子组件可靠性的影响要素；
影响电子组件可靠性的主要问题；
电子组件常用的失效分析方法；
电子组件常见可靠性问题的试验评价方法； 课程目标 了解可靠性基础 掌握电子组件主要失效模式、失效机理和分析方法 掌握电子组件可靠性评价方法

课程目的及目标

课程内容
电子组件可靠性概述
电子组件失效分析方法
焊接原理及焊接工艺评价方法
焊点热疲劳、机械过应力等可靠性评价方法
PCB来料质量综合保证技术
电子组件绝缘可靠性试验及失效案例研究
电子元器件可靠性要求及失效案例研究

第一章 电子组件可靠性概述

可靠性的定义
电子组件可靠性特点及工作方法

可靠性是什么？
可靠性：“可靠性”描述的是产品在规定时间（t>0）内，在规定的条件下完成规定功能的能力。 三个重要方面： （1）规定的时间（泛指寿命单位） （2）规定的条件（热、机械、化学、电磁、电化学等） （3）规定的功能（技术、性能指标） 常见的可靠性举例： 1）某手机在正常使用的条件下三年内不出故障的概率为99.5%。 2）手机主板在1米高度，10次跌落后，不出故障的概率大于99% 3）……
1.1 可靠性定义
那可靠性是什么？
可靠性是质量的时间指标

•失效三阶段：早期失效、随机失效、耗损老化
•早期失效——工艺、材料缺陷和设计裕度不足是主要因素，通过 工艺质量控制解决、过应力裕度设计解决。 随机失效——误操作、使用不当、外界环境突变等，人为、环境 因素是主要影响因素，通过规范操作、降额使用解决。 耗损失效— 结构磨损、材料老化是主要因素，通过固有寿命、工 艺技术设计解决。

随时间变化的失效三阶段分析
常用可靠性特征量
•可靠度R(t)——产品在规定的条件、规定的时间t内完成规定功能的概率,“三个规定”。
•累积失效概率F(t)——产品在规定条件、规定的时间t以前的累积失效概率。

•失效率λ(t)——在规定的条件、规定的t时刻，尚未失效产品在单位时间内失效的概率，描述仍能工作器件失效的可能性。
•平均寿命MTTF——批产品的寿命平均值 。
•中位寿命(t0.5)——可靠度R=0.5时，对应的工作时间，产品一半已经失效。
•可靠寿命(tr) ——可靠度为任一值R时，对应的工作时间。
常用可靠性特征量
电子组件可靠性试验数据表（总数量140）
可靠性计算示例
可靠度变化示意图
中位 寿命
平均 寿命
失效率随时间变化图

可靠性的应用-一个电表的故事
 十年包换？
 能否达到？
 如何达到？
 如何更好？

1.2 SMT电子组件可靠性特点

电子组件是电子产品的心脏
核心：电子元器件 PCB 焊点

8 焊料连接可靠性器件可靠性PCB可靠性焊点可靠性 环境条件工艺条件材料 热机械加载动态机械加载电化学电学 焊点特征 焊料合金/微结构 焊料/焊盘 焊料 空洞锡膏的放置器件放置助焊剂焊接曲线电路板结构器件位置焊盘/过孔支撑/机构结构焊料合金/锡膏器件结构/尺寸器件端口结构/金属化层电路板材料/尺寸/镀层材料设计制造使用
电子组件的可靠性取决于器件/PCB/焊点的可靠性
1.2.1 电子组件可靠性概要
1.2.2 电子组件生命周期分析
电子组件生命周期分析 1 组装焊接－－热应力、机械应力 2 测试及老化－－机械、电应力 3 储存－－温度、湿度、机械 4 运输－－机械应力（振动、冲击）、温度、湿度等 5 使用－－温度、湿度、化学、电、机械、辐射等等 不同的应力环境可能导致不同的失效形式，并最终导致产品失效。 其中，焊接过程对器件、焊点和PCB的可靠性都有相当大的影响。

电子组件焊接
－–形成良好焊点的前提、并影响器件和PCB等的可靠性
形成良好焊点的关键是:在焊接界面良好润湿,并形成合适的金属间化合物.
1）组装焊接
测试老化及筛选的目的：排除早期缺陷。 测试老化可能带来的问题： 由于应力选择的问题，可能对正常的样品造成损伤，特别是对于焊点。 可能的应力： 热冲击－－－焊点开裂 机械振动－－－焊点脱离 温度/湿度－－－腐蚀 温度—-合金层变厚
2）测试及筛选测试：弯折试验 失效形式：器件脱落 原因：过应力 设计不良 测试条件不科学！
测试及筛选的影响案例
存储和运输中，由于产品的运输条件不同，存储环境不同，对电子组件可能产生相当大的应力影响，足以导致失效。 可能的应力 机械振动－－－焊点脱离 温度/湿度－－－腐蚀
3）存储运输

马里兰大学对计算机显示器的运输应力研究
某计算机存储运输应力分析
机械振动和冲击
某计算机存储运输应力分析

影响电子组件可靠性最大的环境条件，主要载荷包括： 温度/湿度－－－－腐蚀、迁移 温度循环/温度冲击－－－焊点疲劳 机械振动－－焊点过应力失效－疲劳失效 机械跌落－－焊点过应力 电应力－－电迁移 辐射等－－器件损伤 器件－锡须失效
4）产品使用
电子组件常见可靠性问题举例
Crack
Crack
Void
1）焊点疲劳失效
2）电化学迁移
3）阳极导电丝失效
4）腐蚀失效
5）锡须失效
电子组件可靠性问题汇总
器件 1 锡须生长和锡疫 2 器件热稳定性（潮湿敏感损伤） 3 前向/后向兼容性（混装） 4 可焊性，耐腐蚀性 PCB 1 可焊性 2 热稳定性（变色，翘曲，孔断） 焊点：（疲劳，过应力） 电化学：迁移，CAF
元器件
焊点
电子元件与SMT焊点的“浴盆”曲线对比
1.2.3 电子组件失效率曲线分析

分析和选择 元器件 焊料类型 材料 PCB设计 组装过程 热设计考虑 测试 机械设计考虑。。。。。。
如何确定合适的参数指标要求？ （可靠性统计学和失效物理相结合）
PCBA的主要失效机理和失效模式
从设计角度考虑
电子组件失效率曲线分析
1.2.4 电子组件可靠性工作程序

电子组件可靠性工作方法
DESIGN FORRELIABILITYRELIABILITYTEST & DATAANALYSISFAILURE ANALYSIS可靠性工程可靠性设计可靠性试验失效分析
可靠性工作的根本 能够大大降低成本 ………
失效位置、模式、机理
可靠性试验数据验证
可靠性设计验证
理解失效的原因及如何提高
 样品数量
 测试条件
 测试周期
 失效获取
 寿命分布
 可靠性函数
 失效率
 平均寿命

详细原文附件，请查看可靠性论坛贴子：电子组件可靠性试验，失效分析技术及案例研究