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第1章 无铅焊接与和谐环境：综述1

1.1 引言1

1.2 无铅焊接材料2

1.2.1 无铅焊接合金2

1.2.2 其他合金选择3

1.2.3 助焊剂4

1.2.4 印制电路板4

1.2.5 器件6

1.3 无铅焊接的工艺、设备和质量7

1.3.1 SMT回流焊接7

1.3.2 波峰焊接10

1.3.3 返工和修理10

1.3.4 设备11

1.4 无铅焊接可靠性12

1.4.1 器件的可靠性12

1.4.2 印制电路板的可靠性16

1.4.3 电化学可靠性17

1.4.4 热和力学可靠性18

1.5 无铅焊接设计和环境兼容20

1.6 环境兼容展望21

1.6.1 环保规则要求21

1.6.2 电子产品循环和报废处理22

1.6.3 环境兼容的挑战23

1.7 总结24

致谢25

参考文献25

第2章 无铅焊料互联中显微组织的演化和界面反应35

2.1 引言35

2.2 无铅焊料显微组织的演化35

2.2.1 相图和平衡凝固35

2.2.2 形核和生长36

2.2.3 凝固后的显微组织37

2.2.4 固相老化中显微组织的演化39

2.3 基体和焊料间的反应：引言40

2.4 熔化焊料-基板间的反应40

2.4.1 焊接中的溶解行为40

2.4.2 Cu-Sn界面金属间化合物的形成45

2.4.3 Ni-Sn界面金属间化合物的形成47

2.4.4 Cu-Sn界面金属间化合物的生长51

2.4.5 液态焊料中Ni3Sn4的动力学57

2.4.6 界面IMC的显微组织57

2.5 固相焊料-基板间的反应59

2.5.1 实验数据60

2.6 界面可靠性60

2.6.1 富Pb相区域60

2.6.2 块状Ag3Sn61

2.6.3 IMC的临界厚度61

2.6.4 IMC中的柯肯达尔空洞61

2.6.5 黑盘62

2.6.6 Au脆71

致谢77

参考文献77

第3章 无铅焊料合金的疲劳和蠕变：基本性质84

3.1 引言84

3.2 材料的变形86

3.2.1 时间无关的变形86

3.2.2 微观组织87

3.2.3 无铅焊料90

3.2.4 无铅焊料的微观组织95

3.2.5 疲劳变形95

3.2.6 微观组织99

3.2.7 无铅焊料100

3.2.8 无铅焊料的微观组织105

3.3 蠕变变形108

3.3.1 描述108

3.3.2 微观组织113

3.3.3 无铅焊料113

3.3.4 无铅焊料的微观组织126

3.4 总结128

致谢128

参考文献128

第4章 无铅焊点可靠性研究进展134

4.1 引言134

4.2 SAC热循环测试数据的经验曲线135

4.3 无铅与Sn-Pb的比较137

4.4 关键组件数据140

4.5 含Pb或Sn-Pb合金对无铅可靠性的影响142

4.6 讨论145

4.7 结论153

参考文献154

第5章 无铅焊料互联的化学反应与可靠性测试159

5.1 前言159

5.2 助焊剂化学的背景知识159

5.3 电迁移162

5.4 表面绝缘电阻（SIR）165

5.4.1 SIR测试程序165

5.5 腐蚀测试方法167

5.6 导电阳极细丝的形成170

5.6.1 描述170

5.6.2 影响CAF形成的因素173

5.6.3 测试176

5.7 助焊剂残留物和RF信号完整性176

5.8 结论178

参考文献178

第6章 无铅焊料表面的锡晶须生长182

6.1 前言182

6.2 无铅焊料表面锡晶须形貌183

6.3 锡晶须生长过程中应力的产生（驱动力）185

6.4 锡铜生成Cu6Sn5的室温反应186

6.5 锡晶须生长中的应力松驰（动力学过程）187

6.6 影响锡晶须生长的参数的测量189

6.7 抑制锡晶须的生长198

6.8 锡晶须生长的加速实验199

6.9 总结200

致谢201

参考文献201

第7章 无铅焊料互联的加速试验方法203

7.1 前言203

7.2 金属学基础203

7.3 锡基焊料合金的变形208

7.4 加速试验210

7.5 试验设计218

致谢222

参考文献222

第8章 无铅焊料的热机械可靠性224

8.1 引言224

8.2 无铅焊料合金的基本模型224

8.2.1 热机械性能225

8.2.2 非弹性形变的性能225

8.3 几何模型230

8.3.1 二维模型231

8.3.2 广义平面形变（GPD）或2.5D模型232

8.3.3 三维模型233

8.3.4 其他的考虑234

8.4 加载条件和热机械应力234

8.4.1 工艺曲线234

8.4.2 加速热循环235

8.4.3 各种领域中使用的模拟235

8.5 形变机理236

8.6 封装中热机械可靠性237

8.6.1 焊料的疲劳行为237

8.6.2 无铅焊料的寿命预测模型239

8.6.3 基于损伤力学的方法241

8.7 模型的证实241

8.8 结论243

参考文献243

第9章 可靠性设计——无铅焊料互联的有限元模拟248

9.1 引言248

9.2 模拟249

9.3 模型的几何结构250

9.4 材料性质的讨论252

9.5 失效判据的讨论257

9.6 模拟中的困难259

9.7 推荐的有限元几何模型261

9.8 一个模拟256 PBGA的例子261

9.9 用文献数据对失效理论作检验267

9.10 可靠性设计276

9.11 进一步研究的需要278

9.12 结论279

致谢279

参考文献280

第10章 无铅焊料缺陷的检测及失效分析285

10.1 前言285

10.2 锡铅和无铅合金285

10.3 检测及分析技术286

10.3.1 金属组织学研究和腐蚀287

10.3.2 锡铅和无铅合金的微结构特征289

10.3.3 无铅焊料光学外观较差的原因297

10.3.4 锡铅和无铅焊料多次回流焊后的微结构298

10.3.5 无铅焊料深腐蚀后的微结构特征298

10.4 有各种表面镀层的无铅和混合组装中的空洞出现程度304

10.5 跌落测试前后的微结构305

10.6 X光检测系统307

10.7 结论310

致谢311

参考文献311

第11章 导电胶连接的可靠性313

11.1 导电胶连接技术简介313

11.2 各向同性导电胶连接中的可靠性315

11.2.1 金属化315

11.2.2 固化程度316

11.2.3 冲击强度317

11.2.4 失效机理318

11.3 各向异性导电胶连接中的可靠性321

11.4 理论研究与数值模拟331

11.4.1 氧化与裂缝生长的理论分析331

11.4.2 电性能模拟333

11.4.3 各向同性导电胶连接的有限元应力分析336

11.4.4 各向异性导电胶连接的工艺模拟342

11.5 结论346

致谢346

参考文献347

第12章 无铅焊料连接可靠性展望352

12.1 焊料合金特性和界面反应352

12.2 锡晶须生长352

12.3 印制电路板的可靠性353

12.4 焊料本构方程和热疲劳可靠性预测353

12.5 动态机械加载试验353

12.6 加速试验温度曲线和加速因子354

12.7 复杂加载条件和总体可靠性优化354

12.8 可靠性退化评估和器件再生利用355

致谢355

参考文献355

附录A 专业术语汇总表358

附件B 化学元素符号362