前言

电子微组装是为了实现电子产品内部功能元器件高密度集成，满足产品微型化、便携式和高可靠需求，通过微互连、微组装设计发展起来的新型电子组装和封装形式，它包括电子行业的微组装技术和微机电行业的微装配技术，涉及的产品有半导体器件、混合集成电路（HIC）、多芯片组件（MCM）、板级组件（PCBA）、微波组件、系统级封装（SiP）器件、板级微系统（SoP）组件等。通过电子微组装可靠性设计，可以消除微组装结构和微组装材料特有的失效模式，使微组装产品的固有可靠性和工作寿命达到预期要求。

自20世纪90年代起，在电子产品小型化、微型化需求的推动下，电子微组装技术进入了快速发展阶段。20世纪90年代，发展了球栅阵列（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、多芯片组件（MCM）等高密度封装和高密度组装技术；21世纪初，发展了系统级封装（SiP）、圆片级封装（WLP）等集成封装技术；2010年之后，进一步发展了极小化元器件在挠性基板的组装、3D芯片堆叠式SiP和内埋置元器件多功能基板SoP等技术。电子微组装技术在快速发展的同时也面临着新的挑战，从可靠性设计角度来看，挑战来自失效控制和可靠性量化设计两方面的问题：一是针对失效控制要求，如何消除或减缓高密度组装下高热流密度带来的热失效、高深宽比TSV互连等一系列微组装失效和退化问题；二是针对失效率和寿命等定量指标要求，如何通过结构优化设计降低内部应力，如何通过微组装可靠性与性能及制造的协同设计保证性能稳定可控，如何通过微组装多机理的失效建模最终实现量化的可靠性设计。

而电子产品可靠性设计技术方法，经过40年的发展和应用，建立了标准化的可靠性设计通用要求，包括可靠性定性设计要求和可靠性定量设计要求，形成了以标准《MIL-HDBK-388B Electronic Reliability Design Handbook》为代表的电子设备可靠性设计方法，以标准《MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment》为代表的基于数理统计的电子设备可靠性预测方法，以标准《IPC-D-297 Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies》、《ANSI/VITA 51.2 Physics of Failure Reliability Predictions》和《FIDES guide 2009（Edition A）Reliability Methodology for Electronic Systems》为代表的基于失效物理的器件级/封装级/板级/设备级的电子产品可靠性预测方法，这些标准为电子产品的可靠性设计提供了很好的指引。

但随着电子微组装技术的快速发展，以及新结构、新材料、新工艺的不断引入，复杂使用环境下新的失效机理和失效模式不断暴露，微组装新老失效问题的控制和可靠性量化设计已成为我们必须持续面对的挑战。对包含内装元器件的电子微组装组件而言，如混合集成电路（HIC）、多芯片组件（MCM），温度应力是导致其发生失效和退化的最明显因素，其可靠性设计既要考虑随机失效阶段内装元器件和微互连焊点的失效率控制指标，还要考虑耗损失效阶段短板部位的耗损寿命设计指标；对大尺寸器件或组件而言，如大功率金属气密封装电源模块、板级组件和行波管等真空器件，力学振动损伤和高周疲劳是其突出的可靠性问题，其可靠性设计既要考虑微结构谐振损伤控制，也要考虑薄弱环节的高周疲劳寿命；对气密封装的微组装组件而言（如金属气密封装、陶瓷气密封装混合集成电路），潮湿环境水汽渗入导致的内部芯片腐蚀是致命的可靠性问题，其可靠性设计需要综合考虑水汽达到阈值的渗入时间和水汽腐蚀的作用时间；对内部空间有限的高密度集成组件而言，如混合集成电路或微波混合集成电路，组件内部自身的电磁兼容设计是工程中需要迫切解决的问题。

因此，电子微组装可靠性设计，不仅要考虑传统的温度应力作用下的可靠性设计，同时还要考虑机械、水汽、电磁、辐照等作用下的可靠性设计，这样才能有效控制各种潜在失效，使微组装产品的固有可靠性满足预期失效率和工作寿命指标要求，这就是今天人们提倡的基于失效物理的可靠性设计思想和理念，也正是本书所要介绍的基于失效物理的电子微组装可靠性设计方法。

本书介绍了电子微组装的定义和可靠性要求，分析了可靠性设计技术的发展与现状，以及目前电子微组装可靠性设计面临的挑战，在总结了可靠性设计相关标准和适用范围的基础上，针对电子微组装在各种环境应力下的失效特点，提出了基于失效物理的电子微组装可靠性设计解决方案，并系统论述了微组装产品在温度应力、机械应力、水汽应力、电磁应力下的失效控制与可靠性设计方法。本书写作的目的，是希望给读者展示一个较清晰的电子微组装可靠性设计技术体系，理解失效物理方法在可靠性设计中的重要作用，掌握在微组装产品研发设计过程中如何发现可靠性薄弱环节、如何分解可靠性设计指标的方法，如何通过失效率和寿命预测不断迭代优化产品的可靠性设计。

本书作者长期从事电子元器件和电子组件可靠性技术研究，承担过多项混合集成电路、大功率组件、行波管、表面贴装组件等产品的失效控制和可靠性设计科研项目，以及元器件FTA方法和故障信息库、多热源组件热性能定量评价研究课题，积累了丰富的电子微组装可靠性设计研究素材和试验数据，为本书的编写奠定了基础。在本书编写过程中，还参考了可靠性设计及相关领域的大量文献、专著和其他资料，通过总结提炼并结合作者的研究成果，完成本书的编写。本书共10章，各章节执笔分别是：第1章何小琦、恩云飞，第2章李勋平、何小琦、宋芳芳（编写2.4.3节），第3章周斌、恩云飞，第4章何小琦（编写4.1～4.4节）、宋芳芳（编写4.5节），第5章周斌、何小琦、宋芳芳，第6、7、8章何小琦、周斌（编写6.9节）、宋芳芳（编写7.8节）、李勋平（编写8.8节），第9章方文啸，第10章周斌。何小琦、恩云飞负责本书的策划、组织工作，宋芳芳、罗宏伟组织各执笔人进行相关章节的审阅工作，全书最后由何小琦统一修改定稿。

在本书编写过程中，参阅了中国电子产品可靠性与环境试验研究所前辈盛志森、郑廷圭、杨晋泰等人编写的“可靠性物理”技术资料，以及黄树荣、李志清编写的“环境试验”技术资料；得到了作者单位许多同事的大力支持和帮助，张增照研究员对可靠性设计相关专业术语给予了解释，潘勇研究员提供了“可靠性预计”相关资料。同时，还得到了电子行业专家的指导，中国华东微电子研究所的雷剑研究员、鲍恒伟高工、张石磊高工在“混合集成电路分析”方面给予了指导和帮助；此外，作者单位重点实验室硕士研究生陈镜波、翁建城、成骥、赵磊、韩腾、王军德为本书提供了部分研究素材。在此，作者向他们表示由衷感谢，同时还要感谢电子科技大学杨邦朝教授在本书策划中给予的鼓励和支持。

由于电子微组装技术的是一个不断创新和发展的技术领域，其可靠性设计技术涉及失效物理学、数理统计学、系统工程学、热学、机械学、流体力学和电磁学，以及电子检测技术、可靠性试验技术和失效分析技术等多学科和多种专业技术。目前，有些微组装失效模式、失效机理并非十分清晰，失效控制和可靠性设计方法并不完善，仍需要不断研究和探索，因此书中难免存在不妥之处；加之作者经验和知识水平有限，不足之处，敬请读者指正。

注：为区分矢量矩阵和标量矩阵，书中部分章节采用{·}表示矢量矩阵，采用[·]表示标量矩阵。

何小琦 恩云飞 宋芳芳