第5章 影响电子产品在服役期间的工艺可靠性问题

5.1 产品服役期的工艺可靠性

5.1.1 概述

随着现代微电子学器件技术突飞猛进的发展，现代电子装置的封装结构和技术也正在向“高密度化、多维化、模组化……”的道路上疾驰。现代电子装置的“封装技术”已经从传统的“组装技术”脱胎换骨，发展成为一个全新的应用性学科理论体系。在传统的“组装技术”时代，一个电子组装工艺工程师或专家只需要了解装置的结构原理和构成，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，工艺技术研究的范围仅局限于工艺技术过程、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决定的。

电子产品更快、更小、更廉价的要求推动了电子工业的革命。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（如焊球阵列BGA）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和芯片尺寸封装（CSP）也成为减小封装尺寸技术的一部分。直接芯片粘接或倒装芯片技术直接把芯片连接到电路板上，已经完全脱离了传统意义上的封装。现代微电子学器件技术中层出不穷的新技术的出现已经完全改变了传统产品技术的格局。现在及未来，产品的可靠性将更多地依赖于封装和电气互连的可靠性……由此引出的围绕工艺可靠性而展开的各项研究就构成了现代工艺可靠性的主要技术内容，同时也极大地丰富和发展了工艺可靠性理论，使之最终得以成为一个独立的理论体系。

如今，制造最精密尖端高科技产品所需的组装工序及工艺的种类之多，实在不胜枚举，这也是由现代电子组装的复杂性决定的。事实上，在高科技电子装置的制造过程中，所需材料与工序的变化范围之广，即使是业内堪称专家的高级技术人才，也无法做到对产品设计和生产过程中涉及的所有相关领域中的所有材料及工序都了如指掌。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……凡此种种是高级技术人才及专家等业内精英人士外的绝大多数人都不甚了解的，专业人才极端缺乏的现状一再地提醒我们，加强对现代电子工艺技术理论体系的研究及推广是何等的紧要与迫切。

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，在日本有专家针对上述情况，给出了下述分类和定义：

（1）产品在企业内发生的不良称为缺陷；

（2）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后，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，都可将其列入工艺可靠性的研究范畴来解决。

5.1.2 影响产品制造缺陷的工艺可靠性问题

此类缺陷都是发生在产品在工厂制造过程中，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）工序中能够发现的缺陷，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”、元器件损害等。

（2）电性能检验中发现的性能异常，如短路、虚焊、冷焊、内部开路等。

通常这类缺陷大部分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恶化因素或返修不完善的“合格品”可能会流入市场，这便形成了早期失效故障。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解决。

5.1.3 影响市场服役期故障的工艺可靠性问题

电子产品投放市场并加电工作后发生性能异常或是无法正常工作的情况，就是人们常说的电气故障。此类故障几乎都具有隐性的特点，通常都是在产品经过用户一定时间的使用之后才发生的，导致电气故障的根源是焊点失效。一般这种潜在的恶化因素很少能在电子产品的制造过程中引起明显的缺陷。因此，也就很少能直接成为性能异常的原因，通常要在用户使用过程中，才会不断出现各种现象的电气故障。

一旦在焊接处潜伏着影响接合性能的因素，又受到某些客观条件的影响，恶化就会加速从而引发故障。一般情况下，这类恶化的因素并不会在工厂检验阶段造成产品的性能异常，但它是未来产品发生性能异常的重要潜在因素。它发生的随机性，正好构成了现代电子产品有效寿命期内发生的主要故障模式。在有效寿命期内发生的故障因具有不经常出现和不可预测的属性而被称为随机故障。当然，这并不意味着故障就没有特有的根源或故障的发生是不可避免的。

本章重点介绍和讨论影响产品市场服役期性能的故障的主要因素。它构成了产品用户服役期工艺可靠性研究的重点内容，下面将逐一讨论其主要的影响因素。