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，挖掘出失效的機理的活動。在提高產(chǎn)品質(zhì)量，技術(shù)開發(fā)、改進，產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義。

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

1. PCB/PCBA失效分析

 PCB作為各種元器件的載體與電路信號傳輸?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定了整機設(shè)備的質(zhì)量與可靠性。

圖2 PCB/PCBA

失效模式

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)

熱機械分析(TMA)

熱重分析(TGA)

動態(tài)熱機械分析(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

隨著社會的進步和科技的發(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領(lǐng)域的運用越來越廣泛，因此金屬材料的質(zhì)量應(yīng)更加值得關(guān)注。

圖4  船用柴油機曲軸齒輪

失效模式

設(shè)計不當(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

機械性能分析

萬能試驗機、沖擊試驗機、硬度試驗機等

圖5  拉伸試驗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)展趨勢是高性能化、高功能化、復(fù)合化、智能化和綠色化。因為技術(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理，來提高產(chǎn)品質(zhì)量、工藝改進及責(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)

熱機械分析(TMA)

熱重分析(TGA)

動態(tài)熱機械分析(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，拉伸試驗機， 萬能試驗機等

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。具有比強度高，優(yōu)良的韌性，良好的環(huán)境抗力等優(yōu)點，因此在實際生產(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)熱機械分析法(TMA)、動態(tài)熱機械分析(DMTA)、動態(tài)介電分析(DETA)

破壞性實驗

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

拉伸強度、彎曲強度等

模擬試驗（必要時）

在同樣工況下進行試驗，或者在模擬工況下進行試驗。

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) 提交失效分析報告

總結(jié)：失效分析是經(jīng)驗和科學(xué)的結(jié)合，失效分析工程師就如醫(yī)生，工藝設(shè)計之初要有預(yù)防對策；產(chǎn)品生產(chǎn)后，進行體檢，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：驗血，照X光，做B超等，根據(jù)檢驗的數(shù)據(jù)進行分析是什么癥狀并對癥下藥，給出補救辦法。

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