失效分析技术及经典案例-概论
材料失效分析及案例[整理]
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材料失效分析与预防及案例分析一、失效零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。
二、失效危害性1、失效导致机械不能正常工作，降低生产效率，降低产品质量，误工误事。
2、失效导致机械不能工作，停工停产，造成重大经济损失。
3、失效导致机毁人亡三、失效分析失效分析:判断零件失效性质、分析零件失效原因、研究零件失效的预防措施的技术工作。
四、失效分析内容1、判断失效性质：畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。
2、分析失效原因：设计、材料、加工、装配、使用、维护。
3、研究失效的预防措施：修改设计、更换材料、改进加工、合理装配、正确使用、及时维护。
五、失效分析技术金相分析技术，断口分析技术，力学性能测试技术，理化分析测试技术，晶体结构分析技术，无损检测技术，应力分析技术。
六、失效案例汽车离合器壳体开裂失效分析1、粗视分析离合器壳体由铝合金铸造而成。
一个壳体破断为两部分，一个壳体一侧的裂纹长220mm, 另一侧有一条15mm长的裂纹。
裂纹的起始位置均在壳体侧面下方的交界处。
壳体侧面的内表面呈135°和90°夹角, 无明显的过渡园角。
裂纹扩展方向与该处所受拉应力的方向垂直。
2、现场调研离合器安装情况：离合器左边与发动机相联, 右边与变速器相联。
离合器壳体受到较大弯矩作用。
发动机工作时, 壳体受到强烈振动。
壳体下部受到瞬时大的拉应力作用, 在应力集中处容易产生裂纹造成开裂或破断。
3、立体显微镜下观察断裂面有放射状撕裂棱。
断面上有许多闪光的小点, 同时发现有园形、椭园形的空洞。
最大的一个椭园形孔洞尺寸为0.6mm×1.2mm。
这些空洞的内表面呈熔融金属凝固态, 为铸造缺陷气孔。
4、显微分析观察裂纹形态及扩展方向。
裂纹端部位于壳体两侧面内表面相交处, 裂纹上及其附近有大大小小的气孔, 裂纹垂直于壳体边缘扩展。
金相显微组织由白色的a固溶体+灰色的条状及小块状的Si晶体+黑色细针状Al-Si-Fe化合物组成。
电子元器件失效分析技术及经典案例
李少平老师：高级工程师，1984年毕业于成都电讯工程学院（现中国电子科技大学）半导体器件专业，毕业后一直在中国赛宝实验室（信息产业部电子第五研究所）可靠性研究分析中心从电子产品可靠性分析、研究工作。
长期从事对电子企业的可靠性增长和产品失效分析工作，具有丰富的失效分析经验，并积累了大量的经典分析案例，是中国赛宝实验室（信息产业部电子第五研究所）可靠性研究分析中心资深的失效分析专家。
主要培训的企业有：美的失效分析实验室建设技术咨询和失效分析技术培训，海尔检测中心的技术咨询和失效分析技术培训，广东核电进行电子元器件老化技术，继电器老化管理，板件老化管理培训，中兴通讯的失效分析技术培训，富士康失效分析技术现场研讨，中国赛宝实验室元器件可靠性研究分析中培训学员的实习指导，以及失效分析专题公开培训。
先后参与《失效分析经典案例100例》和《电子元器件失效技术》的编写。
中国赛宝实验室（信息产业部电子第五研究所）是可靠性专业的综合研究所，属下的可靠性研究分析中心专门从可靠性物理的研究和分析工作，面向军、民企业提供可靠性支撑技术，直接的服务主要是包括失效分析的可靠性技术。
可靠性物理及其应用技术国家重点实验室的依托实体就是信息产业部电子第五研究所可靠性研究分析中心。
失效分析案例
失效分析案例在进行失效分析之前，我们首先需要了解失效分析的概念。
失效分析是指对产品、设备或系统在使用过程中出现的故障进行深入的分析和研究，以找出故障的原因，并提出相应的改进措施，以避免类似故障再次发生。
失效分析通常包括对故障样本的收集、实验室测试、数据分析和结论总结等步骤。
在实际工程中，失效分析是非常重要的一项工作。
通过失效分析，我们可以找出产品或设备的潜在问题，从而提高产品的质量和可靠性。
同时，失效分析也可以为产品的设计和制造提供重要的参考，帮助我们改进产品的设计和工艺，提高产品的性能和可靠性。
下面，我们以一个实际案例来说明失效分析的过程和方法。
某工厂生产的一种电子产品，在使用过程中出现了频繁的断电现象，导致产品无法正常工作。
经过初步调查和分析，发现这一问题已经影响了大量产品的正常使用，严重影响了客户的使用体验和产品的声誉。
因此，我们迫切需要进行失效分析，找出问题的根源，并提出改进措施。
首先，我们收集了大量的故障样本，并进行了详细的外观检查和实验室测试。
通过对故障产品的拆解和分析，我们发现了一个潜在的问题，产品内部的电路板存在设计缺陷，导致在特定条件下容易发生短路现象，从而引起产品的断电故障。
接着，我们对电路板的设计和工艺进行了深入分析，找出了设计和制造过程中存在的问题和不足。
在数据分析的基础上，我们得出了结论，产品断电故障的根本原因是电路板的设计缺陷和制造工艺不合理。
为了解决这一问题，我们提出了相应的改进措施，对电路板的设计进行优化，增强其抗干扰能力；对制造工艺进行调整，提高产品的稳定性和可靠性。
经过一系列的改进和验证，最终成功解决了产品的断电故障问题，提高了产品的质量和可靠性。
通过这个案例，我们可以看到失效分析对产品质量和可靠性的重要性。
只有通过深入的失效分析，找出问题的根源，并提出相应的改进措施，才能真正解决产品存在的问题，提高产品的质量和可靠性。
因此，在工程实践中，我们应该重视失效分析工作，不断提升自身的失效分析能力，为产品的设计和制造提供更好的支持和保障。
失效分析典型案例分享--镍腐蚀
沉锡
沉银
无铅喷锡
（Immersion Tin) (Immersion silver) (Lead free HASL)
OSP
在电路板裸铜表面 在电路板裸铜表 在电路板裸铜表 在电路板裸铜表面 沉积形成一层平整 面经化学置换反 面经化学置换反 经热风整平形成一 而致密的有机覆盖 应形成一层洁白 应形成一层洁白 层较光亮而致密的 层，厚度约0.2而致密的锡镀层， 而致密的银镀层， 无铅覆盖锡合金层， 0.6um，既可保护 厚度约0.7-1.2um。 厚度约0.15-0.4um。 厚度约1-40um。 铜面，又可保证焊
表面易被污染而 影响焊接性能
表面易被污染，银 面容易变色，从而 影响焊接性能和外 观
表面处理温度高， 可能会影响板材和 阻焊油墨的性能
表面在保存环境差 的情况下易出现 OSP膜变色，焊接 不良等
电镍金后还经 过多道后工序， 表面处理后若 受到污染易产 生焊接不良
成本很高
完成沉锡表面处 理后如再受到高 温烘板或停放时 间较长，则可导 致沉锡层的减少
u
Pu
Pu
Pu
P uP
Pu P
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Pu P
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Ni
Ni P
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P
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富磷层
Ni
Ni P
Ni
Ni
Ni P
Ni
Ni
Ni
电子元器件失效分析技术及经典案例
导读：电子产品在不断与失效作斗争中提高可靠性，失效分析是与产品失效作斗争的最有效的工具，通过对失效产品的失效分析，诊断失效产品的失效机理，以失效机理为引导，进一步分析诱发失效机理的应力，从而诊断引起产品失效的根本原因，最终，从产品失效的根本原因所涉及的因素（如产品的材料、结构、工艺的缺陷，或产品使用不合理）入手，采取有针对性的措施，彻底消灭产品失效或有效控制产品失效。
...
《电子元器件失效分析技术及经典案例》内容纲要(森涛培训)
2012年11月09-10日 深圳 | 2012年11月16-17日 苏州
课程热线：4ＯＯ-Ｏ33-4Ｏ33（森涛培训中心，提前报名可享受更多优惠）
参加费用：2500元/人
参加对象：电子元器件、电路板或整机企业的设计工程师、质量工程师、工艺工程师、可靠性工程师、失效分析工程师等。
电子产品失效分析技术
10 0
95
90
85
80
75
70
65
60 4 000
3 500
3 000
Condensed smear from compressed air
2 500
2 000
W av e num be rs (c m-1 )
1 500
1 000
失效分析技术与设备
内部无损分析技术
X-Ray透视观察 SAM—扫描声学显微镜 PIND—内部粒子噪声分析 气密性分析
结构
X射线源 屏蔽箱 样品台 X射线接收成像
系统
失效分析技术与设备
SAM
结构
换能器及支架 脉冲收发器 示波器 样品台水槽 计算机控制系统 显示器
失效分析技术与设备
成分分析技术 EDS—X射线能量色散谱 AES—俄歇电子能谱 SIMS—二次离子质谱 XPS—X光电子能谱 FTIR—红外光谱 GCMS—气质联用 IC—离子色谱 内腔体气氛检测分析
失效案例分析
继电器主要失效模式和失效机理
失效模式
接触失效
线圈失效
绝缘失效
表现形式 失效机理
接触电阻增大或时断时通、 线圈电阻超差、
触点粘结、触点断开故障、
线圈开路、
吸合/释放电压漂移.
线圈短路.
触点表面电化学腐蚀；触点表 面高温氧化；燃弧——破坏触 点表面,粘连,产生碳膜；触点 表面金属电迁移；内部多余物 残留；内部有机材料退化产生 多余物；触点动作撞击；谐振；
分立元件
集成电路
失效模式及分布
电阻器
电容器
失效模式及分布
继电器
按插元件
失效机理
1. 过应力失效
6-失效分析实例0
13
★组织均为铁索体＋珠光 体(各占50%) ＋沿晶网状 碳化物(如图5-22), 说明R 处未经调质处理。 图5-22 R处的金相组织 1200X
14 ★主疲劳源处存在有夹杂物(图5-23)，电子能谱分析是一堆Si、 Ca、S、P等形成的复杂夹杂物。
图5-24 拉伸试样断口的宏观形貌 4X
图5的微观形貌为解 理＋准解理断裂(图5-27) ， 也表现为有很大的脆性。
图5-26 木纹状断口的微观形貌 210X
4. 结 论
1) 曲轴断裂属典型的高周次低应力的弯曲疲劳断裂；
18
2) 断裂失效的根本原因是材质热处理不良，35CrMoA应调 质处理，但曲颈从表面到中心都是退火组织；曲柄从表 面往心部约20 mm是回火索氏体，而心部也是退火组织。 3) 曲轴强度达不到制造厂确认值(低25%～40%)， 制造厂 确认的σs和σb与断裂轴实际值不符的原因是大型零件热处 理后的力学性能检查存在不合理； 4) 除强度低外，内部冶金缺陷也比较多，碳化物沿晶成网 状分布；木纹状断口；材料含氢量较高的鱼眼断口等都 说明曲轴的脆断倾向性加大。
原
因 次 数 %
温 度
腐 蚀
磨 损
振 动
16
24
22 7 71 24.3
2
切 削 加 工 29
铸 造
锻 造
焊 接
热 处 理
23
4
15 134 45.9
48
装 配 不 良 15
4
2. 失效件宏观分析
损坏部位：靠近壳程热流体进口处的管子、管程冷流体热端 处的管子。 表面观察：① 管内外表面均可见棕色表面覆盖层，在没有坑 洞的表而用锉刀轻轻锉一下能看见银白色的金属光泽，说明 均匀腐蚀轻微。 ② 严重腐蚀区的管子外表面分布很多凹坑，深浅不一，有些 凹坑已穿透管壁厚，大多凹坑为敞口椭园截面坑洞。 ③ 拉杆套管的腐蚀损坏比换热管更严重。
失效分析之经典案例
电子元器件失效分析技术与失效分析经典案例案例1 器件内部缺陷——导致整机批次性失效失效信息：整机是磁盘驱动器，制造过程整机的次品率正常为300ppm，某时起发现次品率波动，次品原因是霍尔器件极间漏电、短路。
图1 引出电极金属化（金）边缘脱落跨接图片析说明：引出电极金属化边两电极之间，在电压作用下漏电、击穿。
案例电极边缘脱落，跨接两电极引起电极之间漏电短路分缘有残边，残边在注塑时被冲开而跨接于这是器件的工艺缺陷，这种缺陷具有批次性的特征，该批器件在使用过程中失效率大，寿命短。
2：静电放电损伤失效图2 射频器件静电击穿照片（金相）图3 数字IC静电击穿照片SEM）分析说明：静电放电击穿典型的特征是能量小、线径小，飞狐、喷射。
主要发生在射频、能量释放时间短，其失效特征是击穿点微波器件，场效应器件、光电器件也常有静电放电击穿的案例。
案例3：外部引入异常电压引起通讯IC 输失效信息：分析说明：通讯芯片通讯端口上的传输线容易引入干扰电压（窄脉冲浪涌），干扰电压多次对通讯案例电流能力下降引起整机失效率异常增大某时起整机的市场维修率异常增大，维修增大是整机中的IGBT 功率器件失效引起的。
另外集成电路、出驱动失效通讯芯片在现场使用时发生失效，表现为通讯端口对地短路。
图4 通讯IC 输出管形貌（SEM ）图5 输出管电压击穿形貌（SEM ）IC 的通讯端内部电路起损伤作用，最终形成击穿通道。
4：功率器件失效信息：图6 IGBT 芯片呈现过电流失效特征图7 原来IGBT 的内部结构析说明：效样品表现为过电流失效。
整机维修率异常增大发生时更改IGBT 的型号。
IBGT 制造厂家给出新330W ，原来型号的IGBT 的功率指标为，其它指标没有变化。
两只芯片，多了一只反向释放二极管，两个型号的IGBT 芯片的面积一样大，显然，下降，因此，新型号的IGBT 的电流能分失型号的IGBT 的功率指标比为175W 但新型号的IGBT 内部结构（图6）仅有一只芯片，而原来型号的IGBT 有新型号的IGBT 的芯片要有部分面积来完成反向释放二极管的作用，由于IGBT 芯片有效面积的减小，导致其电流能力力不如原来型号的IGBT ，整机中IGBT 的工作电流比较临界，因此，使用过程中由于电流问题的发生大量失效。
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1. 技术术语、相关标准和资料
GJB450A 装备可靠性工作通用要求 GJB841 故障报告、分析和纠正系统 GJB546A-96 电子元器件质量保证大纲 QJ3065.5-98 元器件失效分析管理要求（航天标准） GJB548A-96 微电子器件试验方法和程序 James cari and Leonard R Enlow, Hybrid Microcircuit Technology Handbook 工程材料的失效分析，谢斐娟等译，机械工业出版社， 2003
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2. 失效分析的目的
GJB548A-96微电子器件试验方法和程序， “方法5003 微电路的失效分析程序”对失效分析 目的的描述： 失效分析是对已失效器件进行的一种事后 检查。使用电测试以及先进的物理、金相和化 学的分析技术，验证所报告的失效，确定其失 效模式，找出失效机理。
•
事故并非偶然
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中国航天的事故
• １９９２年３月２２日，中国用“长征２号Ｅ”火箭发 射澳星，由于拧动点火控制器时，从螺钉上旋下一点 点金属屑，使电路短路，火箭发动机熄火，发射没有 成功。 • １９９５年１月２６日，中国“长征２号Ｅ”发射亚太 ２号卫星时，由于美方没有告之卫星的谐振频率，而 凑巧卫星的谐振频率与火箭整流罩的谐振频相同，由 于高空切变风对火箭的作用，引起共振，造成星箭爆 炸。
1. 技术术语、相关标准和资料
• 失效--丧失功能或降低到不能满足规定的要求。 • 失效模式--失效现象的表现形式，与产生原因 无关。如开路、短路、参数漂移、不稳定等。 • 失效机理--导致失效的物理化学变化过程，和 对这一过程的解释。如电迁移开路、银电化学 迁移短路。工程上，也会把失效原因说成是失 效机理。 • 应力—驱动产品完成功能所需的动力和产品经 历的环境条件。是产品退化的诱因。 • 缺陷
失效分析技术及经典案例
第一讲 失效分析概论
中国赛宝实验室 可靠性研究分析中心 张晓明
Zhangxm@
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主要编制人员
张晓明 李少平 郑廷圭 来萍 费庆宇 罗宏伟
罗道军
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Hale Waihona Puke 除非特别指出，本讲义图片来自于：
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有的人这样理解失效分析
医药学的历史与人类的病痛一样长。大量医药科学的 进步都是建立在外科医生进行的尸体解剖上。（仁慈 的东方人除外） 在我们的专业领域，这一做法通常称为“失效分析”。 每个失效部件都应被视为进行可靠性改进的机会。失 效部件有时甚至是“珍贵的”。
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本课程的目的
失效分析技术的用途与价值 了解技术发展状况 学习基础知识和技能，了解相关标准 希望更多人关心、支持和参与可靠性工程
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本课程的对象
失效分析技术人员 生产和质量管理人员 设计师、工艺师、质量师和可靠性师 试验技术人员 技术服务人员 其他好学人士
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一次惨痛的经历！
“挑战者”发射那天，天气非常寒冷。气温降低后， 这些“○圈”就变得非常坚硬，伸缩就更加困难。 坚硬的“○圈”伸缩的速度变慢，密封的效果就大 打折扣。虽然那可能只是零点几秒的时间，但足 以把一次本应成功的发射变成一场灾难。
•
8/70
中国赛宝实验室 可靠性研究分析中心
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您所知道的可靠性？
更大的麻烦。。。
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一次惨痛的经历！ • 1986年1月28日
73秒 7名人员 12亿美元
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•
网络新闻图片
一次惨痛的经历！
挑战者号1986年1月28日执行第十次任务时，于升空过程中突然爆炸
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2. 失效分析的目的
失效分析程序应足以得出相应结论，确定失效 的原因或相应关系，或者在生产工艺、器件设计、 试验或应用方面采取纠正措施，以消除失效模式 或机理产生的原因,或防止其重新出现。
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2. 失效分析的目的
故障检测和统计分析 故障机理、相关原因分析诊断
设计
工艺
物料
检测试验
设 计 优 化
确定关键工序，优 化工艺，提高Cpk
检验、筛选、 重选供应商
一次惨痛的经历！
• “挑战者”的悲剧在于，博伊斯乔利在发射前6个 月就对“○圈”提出质疑，因为一年前他曾亲自跑到佛 罗里达，对上一次发射时使用的火箭进行了检查，让 他吃惊的是，第一层“○圈”失灵，热气跑了出来，幸 运的是，第二层“○圈”拦住了热气。 博伊斯乔利仍保存着当时拍摄的“○圈”照片，本 应是蜜色的润滑油被熏成了黑色。第一层“○圈”的很 多部分不见了，很显然，它们被烤焦了。他说：“我 看到这一切时，心口像堵上了一团棉花。那次发射， 航天飞机竟然没有爆炸，简直是奇迹！”
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总目录
第一讲 失效分析概论 第二讲 分析技术及设备 第三讲 失效分析典型案例
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第一讲 失效分析概论
1. 2. 3. 4. 5. 技术术语、相关标准和资料 失效分析的目的 失效模式 失效机理 一些标准对失效分析的要求
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一次惨痛的经历！
• 博伊斯乔利说
– “这些钢圈看上去很结实，很牢固，但点火后， 每个部分受到巨大压力，都会像气球一样被‘吹’ 起来。这样，就需要在各部分的接合处采用松紧 带来防止热气跑出火箭。” – 这份工作由两条名为“○圈”的橡胶带完成，它们 可以随着钢圈一起扩张，并能弥合缝隙。 – 这两条橡胶带与钢圈脱离哪怕0.2秒，助推器的 燃料就会发生泄露，固态火箭助推器就会爆炸。