失效分析簡介

 

    失效分析是一門發(fā)展中的新興學(xué)科，近年開始從軍工向普通企業(yè)普及，它一般根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過分析和驗(yàn)證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效的原因，挖掘出失效的機(jī)理的活動(dòng)。在提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)開發(fā)、改進(jìn)，產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

    失效分析流程

 

    圖1  失效分析流程

 

    各種材料失效分析檢測方法

 

    1PCB/PCBA失效分析

 

    PCB作為各種元器件的載體與電路信號(hào)傳輸?shù)臉屑~已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)品的最為重要而關(guān)鍵的部分，其質(zhì)量的好壞與可靠性水平?jīng)Q定了整機(jī)設(shè)備的質(zhì)量與可靠性。

 

圖2 PCB/PCBA

 

    失效模爆板、分層、短路、起泡，焊接不良，腐蝕遷移等。

    常用手段

 

    無損檢測：

    外觀檢查，X射線透視檢測，三維CT檢測，C-SAM檢測，紅外熱成像

 

    表面元素分析：

    掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS）

    顯微紅外分析（FTIR）

    俄歇電子能譜分析（AES）

    X射線光電子能譜分析

    （XPS）二次離子質(zhì)譜分析（TOF-SIMS）

 

    熱分析：

    差示掃描量熱法（DSC）

    熱機(jī)械分析（TMA）

    熱重分析（TGA）

    動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）

    導(dǎo)熱系數(shù)（穩(wěn)態(tài)熱流法、激光散射法）

 

    電性能測試：

    擊穿電壓、耐電壓、介電常數(shù)、電遷移

 

    破壞性能測試：

    染色及滲透檢測

 

    2電子元器件失效分析

 

    電子元器件技術(shù)的快速發(fā)展和可靠性的提高奠定了現(xiàn)代電子裝備的基礎(chǔ)，元器件可靠性工作的根本任務(wù)是提高元器件的可靠性。

 

    圖3 電子元器件

 

    失效模式:

    開路，短路，漏電，功能失效，電參數(shù)漂移，非穩(wěn)定失效等

    常用手段

 

    電測：

    連接性測試  電參數(shù)測試 功能測試

 

    無損檢測：

    開封技術(shù)（機(jī)械開封、化學(xué)開封、激光開封）

    去鈍化層技術(shù)（化學(xué)腐蝕去鈍化層、等離子腐蝕去鈍化層、機(jī)械研磨去鈍化層）

    微區(qū)分析技術(shù)（FIB、CP）

 

    制樣技術(shù)：

    開封技術(shù)（機(jī)械開封、化學(xué)開封、激光開封）

    去鈍化層技術(shù)（化學(xué)腐蝕去鈍化層、等離子腐蝕去鈍化層、機(jī)械研磨去鈍化層）

    微區(qū)分析技術(shù)（FIB、CP）

 

    顯微形貌分析：

    光學(xué)顯微分析技術(shù)

    掃描電子顯微鏡二次電子像技術(shù)

 

    表面元素分析：

    掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS）

    俄歇電子能譜分析（AES）

    X射線光電子能譜分析（XPS）

    二次離子質(zhì)譜分析（SIMS）

 

    無損分析技術(shù)：

    X射線透視技術(shù)

    三維透視技術(shù)

    反射式掃描聲學(xué)顯微技術(shù)（C-SAM）

 

    3金屬材料失效分析

 

    隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，金屬制品在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科技以及人們的生活各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛，因此金屬材料的質(zhì)量應(yīng)更加值得關(guān)注。

 

圖4  船用柴油機(jī)曲軸齒輪

 

    失效模式:

    設(shè)計(jì)不當(dāng)，材料缺陷，鑄造缺陷，焊接缺陷，熱處理缺陷

 

    常用手段

 

    金屬材料微觀組織分析：

    金相分析

    X射線相結(jié)構(gòu)分析

    表面殘余應(yīng)力分析

    金屬材料晶粒度

 

    成分分析：直讀光譜儀、X射線光電子能譜儀（XPS）、俄歇電子能譜儀（AES）等

 

    物相分析：X射線衍射儀（XRD）

 

    殘余應(yīng)力分析：x光應(yīng)力測定儀

 

    機(jī)械性能分析：萬能試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、硬度試驗(yàn)機(jī)等

 

 圖5  拉伸試驗(yàn)材料斷裂面掃描電鏡圖像

 

    4高分子材料失效分析

 

    高分子材料技術(shù)總的發(fā)展趨勢(shì)是高性能化、高功能化、復(fù)合化、智能化和綠色化。因?yàn)榧夹g(shù)的全新要求和產(chǎn)品的高要求化，而需要通過失效分析手段查找其失效的根本原因及機(jī)理，來提高產(chǎn)品質(zhì)量、工藝改進(jìn)及責(zé)任仲裁等方面。

 

圖6  免噴涂塑料

 

    失效模式：

    斷裂，開裂，分層，腐蝕，起泡，涂層脫落，變色，磨損失效

 

    常用手段

    成分分析：

    傅里葉紅外光譜儀（FTIR）

    顯微共焦拉曼光譜儀（Raman）

    掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS）

    X射線熒光光譜分析（XRF）

    氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）

    裂解氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（PGC-MS）

    核磁共振分析（NMR）

    俄歇電子能譜分析（AES）

    X射線光電子能譜分析（XPS）

    X射線衍射儀（XRD）

    飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜分析（TOF-SIMS）

 

    熱分析：

    差示掃描量熱法（DSC）

    熱機(jī)械分析（TMA）

    熱重分析（TGA）

    動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMA）

    導(dǎo)熱系數(shù)（穩(wěn)態(tài)熱流法、激光散射法）

 

    裂解分析：

    裂解氣相色譜-質(zhì)譜法凝膠滲透色譜分析（GPC）

    熔融指數(shù)測試（MFR）

 

    斷口分析：

    掃描電子顯微鏡（SEM），X射線能譜儀（EDS）等

 

    物理性能分析：

    硬度計(jì)，拉伸試驗(yàn)機(jī)， 萬能試驗(yàn)機(jī)等

 

 圖7 安捷倫裂解氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀

 

    （5）復(fù)合材料失效分析

 

    復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合而成。具有比強(qiáng)度高，優(yōu)良的韌性，良好的環(huán)境抗力等優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得以廣泛應(yīng)用。

    失效模式:

    斷裂，變色失效，腐蝕，機(jī)械性能不足等

 

    常用手段

 

    無損檢測：

    射線檢測技術(shù)（ X 射線、γ 射線、中子射線等），工業(yè)CT,康普頓背散射成像（CST）技術(shù)，超聲檢測技術(shù)（穿透法、脈沖反射法、串列法），紅外熱波檢測技術(shù)，聲發(fā)射檢測技術(shù)，渦流檢測技術(shù)，微波檢測技術(shù)，激光全息檢驗(yàn)法等。

 

 圖8 工業(yè)CT檢測系統(tǒng)

 

    成分分析：

    X射線熒光光譜分析（XRF）等，參見高分子材料失效分析中成分分析。

    熱分析：

    重分析法（TG）、差示掃描量熱法（DSC）、靜態(tài)熱機(jī)械分析法（TMA）、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析（DMTA）、動(dòng)態(tài)介電分析（DETA）

 

    破壞性實(shí)驗(yàn)：

    切片分析（金相切片、聚焦離子束（FIB）制樣、離子研磨（CP）制樣）

 

    （6）涂層/鍍層失效分析

 

 圖9  左IC分層失效 、右涂層樣品界面點(diǎn)腐蝕失效

 

    失效模式:

    分層，開裂，腐蝕，起泡，涂/鍍層脫落，變色失效等

 

    常用手段

 

    成分分析：

    參見高分子材料失效分析

 

    熱分析：

    參見高分子材料失效分析

 

    斷口分析：

    體式顯微鏡（OM）掃描電鏡分析（SEM）

 

    物理性能：

    拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等

 

    模擬試驗(yàn)（必要時(shí)）

 

    在同樣工況下進(jìn)行試驗(yàn)，或者在模擬工況下進(jìn)行試驗(yàn)。

    分析結(jié)果提交

 

    1） 提出失效性質(zhì)、失效原因

 

    2） 提出預(yù)防措施（建議）

 

    3） 提交失效分析報(bào)告

 

    總結(jié)：失效分析是經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的結(jié)合，失效分析工程師就如醫(yī)生，工藝設(shè)計(jì)之初要有預(yù)防對(duì)策；產(chǎn)品生產(chǎn)后，進(jìn)行體檢，找出其中的隱患，給出預(yù)防辦法去防止；失效發(fā)生后通過各種手段查找病因：驗(yàn)血，照X光，做B超等，根據(jù)檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是什么癥狀并對(duì)癥下藥，給出補(bǔ)救辦法。

    目前國內(nèi)這方面做得比較欠缺，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、失效，各干各的。實(shí)際上，失效分析應(yīng)該參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，這樣才能從根本上避免產(chǎn)品失效。

 

 

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)，我們網(wǎng)站會(huì)不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

 

責(zé)任編輯：王元

 

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414