失效分析技术基本知识和应用

失效分析提高机械产品信誉，必须使机械产品牢固可靠，可是在技术上要求机械产品达到100％的可靠性是不可能的，所以要求尽可能地降低机械产品的事故率。

因为机械产品在使用过程中常常发生断裂、变形、磨损、腐蚀等失效现象的发生，找出失效原因和提出改进措施，必须开展失效分析实例的研究。

目前，随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科。

它不仅与断裂力学、断裂物理、断口学等学科相关联，而且还涉及产品质量全面管理等领域。

失效1失效的基本概念失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在使用前的试验过程中），由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件不能完满地完成指定的功能，或者机械构件丧失了原设计功能的现象。

常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效；塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的失效。

机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况：物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失效。

2 失效的形式及其类型失效的分类比较复杂，在这里不可能一一作介绍，本文按失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。

（1）断裂失效(其中包括破断失效)断裂是指金属，或合金材料，或机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。

它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。

断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。

断裂失效类型有如下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④滑移分离失效；⑤疲劳断裂失效；⑥蠕变断裂失效；⑦应力腐蚀断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩沿晶断裂失效；○11其他断裂失效等。

（2）变形失效所谓变形通常是指机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。

从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。

若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。

失效分析知识点第一章概论1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。

2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。

也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。

5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。

（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。

第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源：1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。

原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。

（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。

（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。

（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；2.失效的来源：（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。

失效分析基础知识失效分析（Failure Analysis）是指通过对被测设备或系统内部的失效原因进行分析和研究，找出导致失效的根本原因，并提出相应的改进措施，以避免或减少同类失效事件的再次发生。

失效分析是现代工程领域中非常重要的一项技术，能够提高产品质量和可靠性，减少故障率，降低生产成本，延长设备的使用寿命。

失效可以分为两大类，一类是功能失效，指的是设备或系统无法按照设计要求完成其功能；另一类是物理失效，指的是设备或系统的一些或多个组成部分发生破坏、损坏或失效。

失效分析主要针对物理失效进行研究，通过对失效物理机制和失效模式进行分析，找出可能导致失效的根本原因，然后推导出失效的关键因素，并提出相应的改进方案。

失效分析的基本原则包括以下几点：1.收集失效信息：通过调查、询问用户、现场观察等方式，收集尽可能多的失效信息，包括失效模式、失效时间、失效环境等。

2.分析失效机理：通过对失效物理机制的研究，找出导致失效的根本原因。

失效机理可以通过物理实验、数值模拟等方式进行研究。

3.分析失效模式：失效模式是指设备或系统在失效前的状态和失效后的状态之间的差异。

通过对失效模式进行分析，可以找出导致失效的关键因素。

4.分析失效的关键因素：通过对失效模式和失效机理的分析，推导出导致失效的关键因素。

关键因素可以是设计缺陷、制造缺陷、材料问题、操作错误等。

5.提出改进措施：根据分析结果，提出相应的改进措施，包括设计改进、制造改进、材料改进、操作改进等。

改进措施应该能够消除或减少导致失效的关键因素，从而提高设备或系统的可靠性和安全性。

失效分析常用的方法和技术包括材料分析、断口分析、显微分析、化学分析、热分析、电子显微镜观察等。

这些方法和技术可以帮助工程师深入了解失效的原因和机制，从而提出有效的改进措施。

失效分析在工程领域中具有广泛的应用，包括电子设备、机械设备、化工设备、航空航天设备等各个领域。

通过对失效进行分析和研究，可以提高产品的可靠性和质量，减少故障率，降低生产成本，延长设备的使用寿命。

失效分析基础知识失效分析基础知识钟群鹏(北京航空航天大学，北京100083)1基本概念1.1失效和失效分析产品丧失规定的功能称为失效。

判断失效的模式，杏找失效原因和机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。

1.2失效和事故失效与事故是紧密相关的两个范畴，事故强调的是后果，即造成的损失和危害，而失效强调的是机械产品本身的功能状态。

失效和事故常常有一定的因果关系，但两者没有必然的联系。

1.3失效和可靠失效是可靠的反义词。

机电产品的可靠度R(t)是指时间t内还能满足规定功能产品的比率，即n(t)/n(0),n(t)为时间t内满足规定功能产品的数量,n(0)为产品试验总数量。

累积失效概率F(t)就是时间t 内的不可靠度,即F(t)=I-R(t)=[n(0)-n(t)]/n(0)o1.4失效件和废品失效件是指进入商品流通领域后发生故障的零件，而废品则是指进入商品流通领域前发生质量问题的零件。

废品分析采用的方法常与失效分析方法一致。

1.5失效学研究机电产品失效的诊断、预测和预防理论、技术和方法的交叉综合的分支学科。

失效学与相关学科的边界还不够明确，它是一个发展中的新兴学科。

2失效的分类2.1按功能分类由失效的定义可知，失效的判据是看规定的功能是否丧失。

因此，失效的分类可以按功能进行分类。

例如，按不同材料的规定功能可以用各种材料缺陷(包括成分、性能、组织、表面完整性、品种、规格等方面)来划分材料失效的类型。

对机械产品可按照其相应规定功能来分类。

2.2按材料损伤机理分类根据机械失效过程中材料发生变化的物理、化学的本质机理不同和过程特征差异，可以分类如图1所示。

图1失效的分类2.3按机械失效的时间特征分类(1)早期失效可分为偶然早期失效和耗损期失效。

(2)突发失效可分为渐进(渐变)失效和间歇失效。

2.4按机械失效的后果分类(1)部分失效(2)完全失效(3)轻度失效(4)危险性(严重)失效(5)灾难性(致命)失效3失效分析的分类失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为：(1)狭义的失效分析主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。

失效分析基本常识以及操作流程概要失效分析是一种通过对可能导致系统、设备或产品失效的原因进行分析，找出失效根本原因并采取措施来防止或解决失效问题的方法。

它是广泛应用于各个行业的一种科学技术手段，可以提高产品和系统的可靠性、安全性和稳定性。

失效分析的基本常识包括以下几个方面：1.失效模式与失效机理：失效模式是指系统、设备或产品发生失效的表现形式，如断裂、腐蚀或短路等。

失效机理是导致失效发生的物理或化学过程，如疲劳、腐蚀或热膨胀等。

2.失效根本原因：失效根本原因是导致失效机理发生的根本问题，可以是设计缺陷、材料问题、工艺不良或使用误操作等。

3.失效分析方法：失效分析可以采用多种方法，如故障树分析、事件树分析、失效模式与效应分析（FMEA）和故障模式与效应分析（FMECA）等。

这些方法可以帮助确定失效发生的可能原因、失效的后果以及防止或解决失效的措施。

4.失效分析工具：失效分析可以借助一些工具来进行，如故障记录、故障数据分析、实验测试和仿真模拟等。

这些工具可以提供有关失效发生的详细信息，以便进行有效的分析和解决。

失效分析的操作流程概要如下：1.收集失效信息：首先需要收集与失效相关的信息，包括失效模式、失效机理、失效数据和相关报告等。

2.确定失效根本原因：通过对失效信息进行分析，确定失效的根本原因。

可以采用故障树分析等方法来帮助确定可能的失效原因。

3.评估失效后果：评估失效的后果，包括人员伤害、财产损失和环境影响等。

可以采用FMEA和FMECA等方法来评估失效的后果。

4.制定措施：根据失效的根本原因和后果，制定相应的措施来防止或解决失效问题。

这些措施可以包括改进设计、优化工艺、更换材料或提供培训等。

5.实施措施：根据制定的措施，进行实施。

这可能涉及到产品的改进、工艺的优化或操作人员的培训等。

6.监控效果：监控实施措施的效果，以确保达到预期的目标。

如果发现新的失效问题，需要重新进行失效分析并制定相应的措施。

有关常见材料失效模式及分析手段的基础知识失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。

在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。

失效分析流程啦加工和服役历史 现场调查及残髓分析判断首先破坏件^∣~j 初步观察制定分析方案II制一复型及截一试样口定观断口分析H 我分析I 金相分析I 分或新「分J化学成分分析 常班力品主一熹一］［综乎析］PCB 作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为 重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性I爆板、分层、短路、起泡，焊接不良，腐蚀迁移等。

确定失效原因I 提出改道指檐III 曲& I(1)无损检测：外观检查，X射线透视检测，三维CT检测，c-SAM检测，红外热成像(2)表面元素分析：扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS)显微红外分析(FTIR)俄歇电子能谱分析(AES)X射线光电子能谱分析(XPS)二次离子质谱分析(TOF-SIMS)(3)热分析：差示扫描量热法(DSC)热机械分析(TMA)热重分析(TGA)动态热机械分析(DMA)导热系数(稳态热流法、激光散射法)(4)电性能测试：击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移(5)破坏性能测试：染色及渗透检测电子元器件技术的快速发展和可靠性的提高奠定了现代电子装备的基础，元器件可靠性工作的根本任务是提高元器件的可靠性。

开路，短路，漏电，功能失效，电参数漂移，非稳定失效等（1）电测：连接性测试电参数测试功能测试（2）无损检测：开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）微区分析技术（FIB、CP）（3）制样技术：开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）微区分析技术（FIB、CP）（4）显微形貌分析：光学显微分析技术扫描电子显微镜二次电子像技术（5）表面元素分析：扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS）俄歇电子能谱分析（AES）X射线光电子能谱分析（XPS）二次离子质谱分析（SlMS）（6）无损分析技术：X射线透视技术三维透视技术反射式扫描声学显微技术（C-SAM）随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业、科技以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，因此金属材料的质量应更加值得关注。

职业培训：失效分析知识失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它是根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。

在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。

目录1.失效分析的基本概念 (1)1.1 (1).失效的分类 (2)1.2.失效的发展过程 (3)1.3.失效分析的实施步骤 (4)1.4.小结 (4)2.失效分析流程 (5)3.失效分析方法 (5)3.1.前述 (5)3.2.失效模式诊断 (6)3. 3.失效原因诊断 (8)4. 4.失效机理诊断 (8)4.各种材料失效分析检测方法 (9)4. 1.PCB/PCBA失效分析 (9)4. 2.电子元器件失效分析 (10)5. 3.金属材料失效分析 (11)5.4.高分子材料失效分析 (12)4.5.复合材料失效分析 (13)4.6.涂层/镀层失效分析 (14)1.1.分析的基本概念一般的，狭义上的失效指的是机电产品丧失功能的现象，而失效分析则是分析诊断失效的模式、原因和机理，研究采取补救预测和预防措施的技术活动和管理活动，同时，与之相关的理论、技术和方法相交叉的综合学科则称之为失效学。

1.2.1.3.失效的分类我们常说的失效从失效模式和失效机理上来说，一般按下述方法进行分类：1、断裂失效：断裂失效常分为韧性断裂和脆性断裂两类，而脆性断裂又分为低温脆性断裂、辐射脆化断裂、氢损伤（氢脆）、应力腐蚀、液态金属脆化、液体侵蚀损伤、高温应力断裂（即蠕变断裂）、疲劳断裂这几种。

2、非断裂失效：基本分为磨损失效、腐蚀失效、变形失效几种，磨损失效一般包含磨粒磨损、粘着磨损两种，腐蚀失效分为氧化腐蚀和电化学腐蚀两种，变形时效分为弹性变形和塑性变形失效两种。

3、复合失效机理，顾名思义就是多种失效机理综合作用而成导致的失效，例如低周疲劳导致的断裂即是韧性断裂和疲劳断裂两种机理复合作用而成的，再如机件受高温应力+电化学腐蚀复合作用下，会出现烧蚀热蚀的失效现象等等。

失效分析提高机械产品信誉，必须使机械产品牢固可靠，可是在技术上要求机械产品达到100％的可靠性是不可能的，所以要求尽可能地降低机械产品的事故率。

因为机械产品在使用过程中常常发生断裂、变形、磨损、腐蚀等失效现象的发生，找出失效原因和提出改进措施，必须开展失效分析实例的研究。

目前，随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科。

它不仅与断裂力学、断裂物理、断口学等学科相关联，而且还涉及产品质量全面管理等领域。

失效1失效的基本概念失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在使用前的试验过程中），由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件不能完满地完成指定的功能，或者机械构件丧失了原设计功能的现象。

常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效；塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的失效。

机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况：物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失效。

2 失效的形式及其类型失效的分类比较复杂，在这里不可能一一作介绍，本文按失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。

（1）断裂失效(其中包括破断失效)断裂是指金属，或合金材料，或机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。

它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。

断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。

断裂失效类型有如下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④滑移分离失效；⑤疲劳断裂失效；⑥蠕变断裂失效；⑦应力腐蚀断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩沿晶断裂失效；○11其他断裂失效等。

（2）变形失效所谓变形通常是指机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。

从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。

若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。

芯片失效分析主讲人：胡敏目录一、相关概念二、IC工艺三、IC结构四、失效分析原则五、失效分析方法六、失效分析注意事项七、案例总结失效：产品失去规定的功能。

失效模式：失效的表现形式。

可靠性：指在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

分固有可靠性和使用可靠性，固有可靠性指通过设计和制造形成的内在可靠性，使用可靠性指在使用过程中发挥出来的可靠性。

它受环境条件，使用操作，维修等因素的影响，使用可靠性总小于固有可靠性。

失效机理：导致器件失效的物理，化学变化过程。

失效原因：导致发生失效的原因，包括设计，制造，使用和管理等方面问题。

失效分析目的：通过失效分析验证器件是否失效，识别失效模式，确定失效机理和失效原因，根据失效分析结论提出相应对策，包括器件生产工艺，设计，材料，使用和管理等方面的改进，消除失效分析报告中所涉及到的失效模式或机理，防止类似失效的再次发生。

¾晶圆的形成晶种插入硅熔体中晶种旋转拉升得到晶棒切割成晶圆¾成型后晶圆结构保护层（钝化层）电极层（金）多晶硅栅氧化层掺杂硅氧化层硅衬底磨片—划片—装片—球焊—包封—后固化—电镀—打印冲切成型—测试—包装磨片—将芯片的反面（非布线的一面）根据工艺标准要求磨去一层，使芯片的厚度达到要求。

划片—用划片刀（或其它手段如激光）在圆片上的划片槽中割划，使整个大圆片分割成很多细小的晶片（单个芯片），以利装片。

装片—将已划好片的大圆片上的单个芯片用吸嘴取下后装在引线框的基岛上。

此时芯片背面上须用粘接剂粘在基岛上。

球焊—用金丝（在一定的温度，超声，压力下）将芯片上某一点（压焊区）与引线框适当位置（第二点）相连。

包封—用树脂体将装在引线框上的芯片封起来，对芯片起保护作用和支撑作用。

后固化—使包封后的树脂体进一步固化。

电镀—在引线条上所有部位镀上一层锡，保证产品管脚的易焊性。

打印—在树脂体上打上标记，说明产品的型号和其它相关信息。

冲切成形—将整条产品切割成形为单只产品。

失效模式分析基础失效模式分析（Failure Mode Analysis，FMEA）是一种系统化的分析方法，用于识别和评估系统、产品或过程中的潜在失效模式及其对系统性能和功能的影响。

通过对失效模式进行全面的分析和评估，FMEA可帮助组织预测和预防潜在故障，以便制定相应的风险控制和改进措施。

本文将对FMEA的基本原理和步骤进行详细阐述。

一、基本原理1.1失效模式失效模式是指系统、产品或过程中可能出现的非预期的、不良的或无法实现预期功能的状态或行为。

失效模式可能导致性能下降、功能丧失或系统完全无法执行其预期任务。

1.2失效模式的影响失效模式的影响通常可以分为以下几个方面：（1）健康与安全影响：失效模式可能导致对人员、财产或环境的严重威胁，如火灾、爆炸、中毒等。

（2）可靠性影响：失效模式可能导致系统异常中断、功能受限、故障频繁等问题，降低系统的可靠性。

（3）成本和效率影响：失效模式可能导致生产停滞、资源浪费、维护成本增加等，对组织的经济效益和效率产生不利影响。

二、FMEA的步骤FMEA的分析过程通常包括以下七个步骤：2.1定义分析范围在进行FMEA之前，首先需要明确分析的范围和目标。

确定分析的系统、产品或过程，并明确分析的目的和应用范围。

2.2识别失效模式通过对系统、产品或过程进行全面的评估和分析，识别潜在的失效模式。

可以利用历史数据、经验知识、故障记录、专家意见等工具和方法进行失效模式的识别。

2.3评估失效影响对每个失效模式进行评估，确定其对系统性能和功能的影响程度。

通常采用评分系统，将失效模式的影响分为健康与安全影响、可靠性影响和成本效率影响等方面进行评估。

2.4识别失效原因对每个失效模式进一步分析，确定可能导致该失效模式发生的原因。

通过问答法、5W1H原则（What、Where、When、Who、Why、How）、鱼骨图等方法找出失效模式产生的主要原因。

2.5评估失效概率对每个失效模式的发生概率进行评估，确定其发生的可能性。