電子封裝可靠性與失效分析（簡體書）

本書對電子封裝環境可靠性試驗的方法及失效分析技術進行了系統的闡述，介紹了電路板級焊點疲勞失效機制、影響因素與發展現狀， 從微觀和宏觀兩個角度介紹了力、熱以及兩者耦合作用下電路板級焊點的失效模式、機理，並提出了多場耦合作用下焊點疲勞壽命模型及狀態評估方法。
全書分為三篇，共12章，第一篇為電子封裝技術基礎(第1、2章)，第二篇為電子封裝的環境可靠性試驗方法(第3～6章)，第三篇為電子封裝失效分析技術(第7～12章)。
本書可作為高等院校機械、電子、微電子等相關專業高年級本科生與研究生的參考用書，也可作為電子封裝及可靠性相關行業的工程技術人員的參考書。

隨著信息化的發展，現代工業製造系統、武器裝備平台及各種醫療器械等集成了大量先進的電子設備。在電子設備內部，電子元器件是通過焊點與電路板或基材實現機械和電氣連接的。微電子製造技術的進步使電子器件朝著功能多樣化、尺寸微型化方向發展，與之相適應的是電子封裝高密度化，焊點越來越細小，從毫米級邁進了微米甚至納米級，焊點成為電子設備中最為薄弱的連接環節。同時，由於電子設備在軍事、航空、航天等領域的廣泛應用，焊點的工作服役環境越來越嚴酷，焊點失效已經成為電子設備故障的重要誘因。
在實際服役條件下，焊點失效通常是振動、溫度等多種外部環境應力耦合作用的結果。由於不同應力之間存在復雜的非線性耦合關係，因此焊點在多場耦合作用下的疲勞失效行為及其表徵方法成為電子設備可靠性研究中的難點。截至目前，市面上少有描述在力、熱耦合作用下電子封裝結構中焊點的可靠性研究方法的書籍，鑑於此，作者總結近幾年的研究成果，編著了本書。
本書按照“研究對像一試驗方法一分析歸納”的邏輯，由淺人深，分別介紹了電子封裝技術基礎、電子封裝的環境可靠性試驗方法及電子封裝失效分析技術。全書分為三篇，共12章。
第一篇為電子封裝技術基礎（第1、2章），
第1章首先介紹了電子封裝的概念，其次介紹了電子封裝的層次與內容，最後介紹了電子封裝技術的發展趨勢與無鉛化進程。
第2章總結了電子封裝的主要失效機制與影響電子封裝可靠性的主要環境因素，分析了單一載荷與耦合載荷下焊點可靠性研究現狀與進展，介紹了常用的焊點疲勞壽命模型。
第二篇為電子封裝的環境可靠性試驗方法（第3～6章）。
第3章首先介紹了單一環境應力的試驗裝置，包括振動、跌落與衝擊、熱、電等應力載荷。在此基礎上，從外形與尺寸匹配、過渡軸以及軟膜聯接等方面詳細介紹了力、熱、濕耦合環境應力加載方法與裝置。
第4章以球柵陣列（BGA）與方形扁平封裝（QFP）兩種類型的焊點為例，介紹了進行電子封裝環境可靠性試驗所必需的試驗件製備方法與夾持裝置設計方法。
第5章從傳感器佈局、數據採集裝置及動態應變測量三個方面介紹了搭建焊點失效進程信號實時監測系統的過程，並介紹了電子封裝環境可靠性試驗完成後試驗件的後期處理與觀察手段，包括金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡及無損檢測。
第6章具體介紹瞭如何設計一個力、熱耦合應力試驗，包括試驗方案的製訂、載荷譜的設計及初步的試驗結果分析。
第三篇為電子封裝失效分析技術（第7～12章）。
第7章研究了振動載荷作用下焊點的疲勞失效行為與規律，實施了不同固支方式與不同振動量級的焊點隨機振動試驗，並對失效電路板試件進行了金相分析，研究了QFP與BGA兩種類型焊點的失效模式與機理。
第8章結合熱循環試驗與有限元仿真方法，研究了溫度載荷下焊點的失效規律。對焊點在溫度載荷下的應力應變響應進行了分析，並對焊點IMC層進行了能譜分析，分析焊點在溫度載荷下的失效模式與機理。
第9章基於正交試驗法分析了耦合載荷條件下溫度與振動因素對焊點疲勞壽命的影響，設計了不同類型的耦合環境試驗，研究溫度與振動兩種載荷不同耦合時機和方式對焊點疲勞壽命的影響。
第10章在考慮焊點微觀結構不確定性的基礎上，基於傳遞熵與統計力學理論，將焊點微觀失效機理與宏觀信號表徵聯繫起來，提出了在振動與溫度耦合條件下能夠表徵焊點結構損傷的能量測度指標。
第11章將焊點微觀失效機理與宏觀信號表徵建立聯繫，研究力、熱耦合作用下焊點結構失效模式聚類方法。在分析焊點結構動態應變信號的基礎上，提出了一種基於徑向基核函數概率距離的焊點結構故障模式聚類方法。
第12章根據焊點的電阻信號呈現出的退化特徵，基於連續時間隱半馬爾可夫過程建立了焊點的多狀態退化模型，並利用BP神經網絡與遺傳算法對模型參數進行估計。
在編寫本書的過程中，得到了空軍工程大學故障預測與健康管理（PHM）實驗室電子封裝可靠性研究組的大力支持。本書第3、4、6章由盛增津博士撰寫，其余章節由湯巍撰寫，感謝胡家興博士、董佳岩碩士為第8、9章部分內容提供的幫助。全書由湯巍統稿，景博教授進行全程指導與校稿。最後，感謝西安電子科技大學出版社的大力支持。
由於作者水平有限，且電子封裝技術發展日新月異，書中不足之處在所難免，懇請廣大讀者不吝指正。

第一篇電子封裝技術基礎
第1章電子封裝技術概述
1．1 概述
1．2 電子封裝技術的概念與層次
1．3 電子封裝技術的發展趨勢
1．4 電子封裝的無鉛化進程
1．5 電子封裝工藝水平的發展
第2章電子封裝可靠性研究現狀
2．1 電子封裝主要失效機制
2．2 影響電子封裝可靠性的主要環境因素
2．3 單一載荷下焊點可靠性研究現狀
2．3．1 基於環境試驗方法的焊點可靠性研究
2．3．2 基於數值模擬的焊點可靠性研究
2．4 多場耦合條件下焊點可靠性研究進展
2．5 焊點疲勞壽命模型研究現狀
2．5．1 基於應變的疲勞壽命模型
2．5．2 基於能量的疲勞壽命模型
2．5．3 基於斷裂力學的疲勞壽命模型
2．6 電子封裝失效分析技術

第二篇電子封裝的環境可靠性試驗方法
第3章環境應力的試驗裝置
3．1 概述
3．2 單一環境應力的試驗裝置
3．2．1 振動應力的試驗裝置
3．2．2 跌落與衝擊應力的試驗裝置
3．2．3 熱、濕應力的試驗裝置
3．2．4 電應力的試驗裝置
3．3 力、熱、濕耦合應力的加載方法與裝置
3．3．1 外形及尺寸匹配
3．3．2 過渡軸及軟膜聯接
第4章試驗件的製備及其夾持裝置設計
4．1 試驗件的製備
4．2 夾持裝置
4．2．1 外形設計
4．2．2 模態分析
第5章焊點失效過程監測與後期處理
5．1 傳感器佈局
5．2 數據採集裝置
5．3 三維數字散斑動態應變測量裝置
5．3．1 三維數字散斑動態應變測量裝置原理
5．3．2 系統組成
5．3．3 測量步驟
5．4 試驗件的後期處理與觀察
5．4．1 金相顯微鏡
5．4．2 掃描電子顯微鏡
5．4．3 無損檢測
第6章力、熱耦合應力試驗設計實例——試驗方案與載荷譜設計
6．1 力、熱耦合效應分析
6．2 整體方案
6．3 軟硬件結構佈局
6．4 載荷譜設計
6．4．1 不同耦合方式對焊點損傷過程的影響
6．4．2 耦合環境中溫度載荷對焊點損傷過程的影響
6．4．3 耦合環境中振動載荷對焊點損傷過程的影響
6．5 初步試驗及結果分析

第三篇電子封裝失效分析技術
第7章振動載荷下板級焊點疲勞失效分析
7．1 焊點隨機振動試驗
7．1．1 試驗前準備
7．1．2 試驗過程
7．1．3 試驗結果與分析
7．2 焊點振動疲勞失效模式與機理分析
7．2．1 BGA焊點失效模式與機理分析
7．2．2 QFP焊點失效模式與機理分析
7．3 焊點結構動態響應信號分析
7．3．1 應變響應信號分析
7．3．2 焊點電信號分析
第8章溫度載荷下板級焊點疲勞失效研究
8．1 焊點熱循環試驗
8．2 焊點熱疲勞失效模式與機理分析
8．2．1 焊點裂紋的萌生
8．2．2 焊點裂紋的擴展
8．3 焊點微觀組織變化
8．4 焊點有限元仿真輔助研究
8．4．1 Anand本構方程
8．4．2 焊點有限元模型的建立
8．4．3 焊點有限元模擬結果分析
第9章振動與溫度耦合條件下板級焊點疲勞失效研究
9．1 溫度時效與隨機振動耦合條件下的焊點疲勞壽命分析
9．1．1 正交試驗方案設計
9．1．2 溫度與振動因素對焊點疲勞壽命的影響
9．2 溫度循環與隨機振動耦合條件下的焊點疲勞壽命分析
9．2．1 溫度循環週期內耦合振動時機不同對焊點疲勞壽命的影響
9．2．2 耦合環境中溫度循環載荷參數對焊點疲勞壽命的影響
9．2．3 耦合環境中諧振效應對焊點疲勞壽命的影響
9．3 振動與溫度耦合條件下焊點失效模式分析
9．3．1 BGA焊點失效模式分析
9．3．2 QFP焊點失效模式分析
9．4 耦合載荷與單一載荷下焊點可靠性對比
9．4．1 焊點平均疲勞壽命對比
9．4．2 焊點失效模式對比
第10章振動與溫度耦合條件下板級焊點疲勞壽命模型
10．1 建模需求分析
10．1．1 傳統疲勞壽命模型的主要問題
10．1．2 焊點自身結構的不確定性分析
10．1．3 信息熵在焊點疲勞損傷建模中的優勢
10．2 基於單一時間因子傳遞熵的焊點疲勞壽命非經驗模型
10．2．1 傳遞熵理論及其解析方法
10．2．2 模型的建立
10．3 試驗結果分析與驗證
第11章振動與溫度耦合條件下焊點結構失效模式聚類分析
11．1 隨機振動與溫度循環耦合條件下的焊點結構動態響應信號分析
11．1．1 BGA焊點結構動態應變響應信號分析
11．1．2 QFP焊點結構動態應變響應信號分析
11．2 基於徑向基核函數概率距離的焊點結構故障模式聚類
11．2．1 概率距離聚類方法原理
11．2．2 焊點結構潛在故障的核函數概率距離聚類方法
11．3 實例驗證
11．3．1 BGA焊點結構故障模式聚類結果分析
11．3．2 QFP焊點結構故障模式聚類結果分析
第12章振動與溫度耦合條件下焊點結構多狀態退化建模
12．1 建模需求分析
12．2 隱半馬爾可夫模型基本理論
12．3 基於連續時間隱半馬爾可夫過程的焊點多狀態退化建模
12．3．1 模型的要素與假設
12．3．2 焊點多狀態退化建模過程
12．3．3 試驗結果分析與驗證

附錄電路板級焊點力、熱耦合試驗主要參考標準
參考文獻