第2章_失效分析程序(16-22)
失效分析的思路和诊断
失效分析的思路与诊断第二章失效分析的思路第一节常用的几种失效分析思路一、“撤大网”逐个因素排除法二、以设备制造全过程为一系统进行分析任何一个设备都要经历规划、设计、选材、机械加工（包括铸、锻、焊等工艺）、热处理、二次精加工（研磨、酸洗、电镀）和装配等制作工序，如果失效已确定纯属设备问题，还可对上述工序逐个进一步分析，包括以下容：1.设计不当（1）开孔位置不当造成应力集中；（2）缺口或凹倒角半径过小；（3）高应力区有缺口；（4）横截面改变太陡；（5）改变设计，没有相应地改变受力状况；（6）设计判据不足；（7）计算中出现过载荷；（8）焊缝选择位置不当，以及配合不适当等；（9）对使用条件的环境影响，未做适当考虑；（10）提高使用材料的受力级别；（11）刚性和韧性不适当；（12）材料品种选择错误；（13）选择标准不当；（14）材料性能数据不全；（15）材料韧脆转变温度过高；（16）对现场调查不充分，认识不足就投入设计；（17）与用户配合有差错。
2.材料、冶金缺陷（1）成分不合格；（2）夹杂物含量及成分不合格；（3）织组不合格；（4）各种性能不合格；（5）各向异性不合格；（6）断口不合格；（7）冶金缺陷（缩孔、偏析等）；（8）恶化变质；（9）混料。
3.锻造等热加工工艺缺陷（1）折叠、夹砂、夹渣；（2）裂缝；（3）锻造鳞皮；（4）流线分布突变或破坏；（5）晶粒流变异常；（6）沿晶氧化（过烧）；（7）氧化皮压入；（8）分层、疏松；（9）带状组织；（10）过热、烧裂；（11）外来金属夹杂物；（12）缩孔；（13）龟裂；（14）打磨裂纹；（15）皱纹。
4.机械加工缺陷（1）未按图纸要求；（2）表面粗糙度不合格；（3）倒角尖锐；（4）磨削裂纹或过烧；（5）裂纹；（6）划伤、刀痕；（7）毛刺；（8）局部过热；（9）矫直不当。
5.铸造缺陷（1）金属突出；（2）孔穴；（3）疏松；（4）不连贯裂纹；（5）表面缺陷；（6）浇注不完全；（7）尺寸和形状不正确；（8）夹砂、夹渣；（9）组织反常；（10）型芯撑、冷铁。
电子器件失效分析
失效物理模型小结
模型 应力 -强度 应力 -时间
适用范围
偶然失效
特征
不考虑激活能 和时间效应
失效现象
失效过程短， 特性变化快， 属剧烈变化， 失效现象明显
举例
过应力开裂、EOS
缓慢退化
需考虑激活能 和时间效应
适用于缓慢退 化，失效现象 不明显
疲劳开裂、蠕变
失效物理模型比较
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目录
1
失效分析基础
失效模式分布
晶囿 电测结果
分立器件使用过程的失效模式及分布 集成电路使用过程的失效模式及分布
数据来源 电子工业部可靠性管理办公室“八五”成果汇编 25
失效模式-按失效原因统计分布
键I的C的合封失失为 最装效效封 多体模模装最式式体多
微电子器件失效模式及分布
微波组件失效模式及分布
来萍，“50例微波器件失效分析结果汇总与分析”，固体电子学研究与进展，2005，4期 26
pmos 并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另 一方面可阻止栽子到达BJT的基极。如果可能，可再增加 两圀ring。 Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell 和Rsub的阻值。 使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,保持足够的距 离在pmos 和nmos之间以降低引发SCR的可能 除在I/O处需采取防Latch up的措施外，凡接I/O的内部mos 也应圀guard ring . I/O处尽量丌使用pmos(nwell)
防御措施（被劢）： 在输入端和输出端加钳位电路，使
输入和输出丌超过丌超过觃定电压。 芯片的电源输入端加去耦电路，防
止VDD端出现瞬间的高压。 在VDD和外电源之间加限流电阻，
材料失效分析(第二至四章-解理断裂与沿晶断裂)ppt课件
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§4、影响韧窝形貌的因素
1、夹杂物或第二相粒子
尺寸较小，且分布密集 → 促进韧窝成核，形成小而多的韧窝花样 尺寸较大，且分布变化不大→促进裂纹扩展，形成较大的韧窝花样 2、基体材料的韧性 韧性差、塑性变形能力差，韧窝尺寸较小、较浅 3、试验温度 T↑、有利于韧窝的成核与扩展，韧窝宽度和深度增加 4、应力状态 拉应力、切应力、撕裂应力
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应力状态
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第三章 解理断裂
§1、概述 §2、解理断口形貌特征及形成机理 §3、影响解理断裂的因素 §4、准解理断裂
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§1、概述
1、定义 正应力、解理面、穿晶脆断
2、发生条件 一般均在bcc、hcp金属中发生，而fcc只在特殊情 况下才发生，如腐蚀环境、材质较差时。
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§2、解理断口形貌特征
一、宏观形貌特征
1、放射状条纹
2、人字纹
3、小刻面（facet）：发亮的小晶面
解理断口上的结晶面
宏观上呈无规则取向
强光下可见到闪闪发光的特征
解理断口是由许多小刻面组成的，每个小刻
面代表一个晶粒
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小刻面
放射条纹
pp人t课件字完整纹
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二、微观形貌特征及形成机理
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瓦纳线
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（二）形成机理（模型）
1、解理台阶 解理裂纹与螺位错交截形成台阶
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台阶形成过程的简化图
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通过二次解理或撕裂相互连接形成台阶（撕裂棱）
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台阶的性质
材料失效分析 教学大纲
材料失效分析一、课程说明课程编号：420218Z10课程名称（中/英文）：材料失效分析/ Failure Analysis of Materials课程类别：专业教育课程（专业选修课程）学时/学分：2/32先修课程：物理化学、工程材料基础适用专业：航空航天工程材料科学与工程教材、教学参考书：1. 庄东汉著，《材料失效分析》，华东理工大学出版社，2009年。
2. 查利R.布鲁克斯阿肖克.考霍莱著；谢斐娟孙家骧译，工程材料的失效分析，机械工业出版社，2003年3. 张栋著，《失效分析》，国防工业出版社，2005.5。
4. 钟群鹏著，《材料失效诊断、预测和预防》，中南大学出版社，2009.2。
二、课程设置的目的意义本课程是材料类各专业一门应用性较强的专业教育课程。
通过本课程的学习，使学生掌握材料失效分析的基本原理和评价分析方法，了解金属、高分子聚合物和无机非金属材料的失效特征，分析材料研发、生产和使用过程中失效的原因，提出预防和改进材料失效的措施。
有助于学生掌握材料失效分析研究基本方法和技能以及常用的材料失效分析手段，有助于培养学生分析问题和解决实际问题的能力。
三、课程的基本要求知识: 通过本课程的学习，学生应了解不同材料（包括金属材料、聚合物材料和无机非金属材料）的断裂机理和断口形貌特征，复合材料的失效分析，掌握材料的失效评价分析方法，分析材料研发、生产和使用过程中失效的原因，提出预防和改进材料失效的措施。
能力: 建立从材料设计、组织控制、制备加工到性能评价与工程应用的概念体系，理解材料科学与工程内涵，学会分析材料问题的方法，初步具备对于工程制件的选材、识材与用材的能力。
素质:通过课程中的分析讨论培养分析沟通交流素质，建立工程材料失效分析的思维模式，提升改进提高材料性能、预防材料失效的基本素质。
通过课外导学的模式，提升自主学习和终身学习的意识，形成不断学习和适应发展素质。
四、教学内容、重点难点及教学设计五、实践教学内容和基本要求六、考核方式及成绩评定七、大纲主撰人：大纲审核人：。
半导体器件失效分析的研究
半导体器件失效分析的研究Research on Semiconductor Device Failure Analysis中文摘要半导体失效分析在提高集成电路的可靠性方面有着至关重要的作用。
随着集成度的提高，工艺尺寸的缩小，失效分析所面临的困难也逐步增大。
因此，失效分析必须配备相应的先进、准确的设备和技术，配以具有专业半导体知识的分析人员，精确定位失效位置。
在本文当中，着重介绍多种方法运用Photoemission显微镜配合IR-OBIRCH精确定位失效位置，并辅以多项案例。
Photoemission是半导体元器件在不同状态下（二极管反向击穿、短路产生的电流、MOS管的饱和发光，等等），所产生的不同波长的光被捕获，从而在图像上产生相应的发光点。
Photoemission在失效分析中有着不可或缺的作用，通过对好坏品所产生的发光点的对比，可以为后面的电路分析打下坚实的基础，而且在某些情况下，异常的发光点就是最后我们想要找到的defect的位置。
IR-OBIRCH(Infrared Optical beam Induced Resistance Change)主要是由两部分组成：激光加热器和电阻改变侦测器。
电阻的改变是通过激光加热电流流经的路径时电流或者电压的变化来表现的，因此，在使用IR-OBIRCH时，前提是必须保证所加电压两端产生的电流路径要流过defect的位置，这样，在激光加热到defect位置时，由于电阻的改变才能产生电流的变化，从而在图像上显现出相应位置的热点。
虽然Photoemission和IR-OBIRCH可以很好的帮助我们找到defect的位置，但良好的电路分析以及微探针(microprobe)的使用在寻找失效路径方面是十分重要的，只有通过Photoemission的结果分析，加上电路分析以及微探针(mi croprobe)测量内部信号的波形以及I-V曲线，寻找出失效路径后，IR-OBIRCH 才能更好的派上用场。
失效分析基本常识以和操作流程图
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6.0 操作流程-6
上传到OA存档/供查阅
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7.0 注意事项
先了解再鉴定 先方案再操作 先无损再破坏
先了解准确、详尽的使用 信息，通常需要使用方配 合。
根据失效现象，制定方案 后再进行分析。检查分析 过程中可以修订分析方案。
失效分析的基本原则。先 确认所有无损检验完成后， 在进行半破坏和破坏分析。
提交分析报告
任务来源 分析过程
背景描述
分析结果
记录和图片 综合评审
分析实质原因 提出纠正措施
工艺
设计结构 材料
测试方法 使用条件 质量控制
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6.0 操作流程-1
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6.0 操作流程-2
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6.0 操作流程-3
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6.0 操作流程-4
先观察后测试
先进行外观检查再做参数 测试和功能测试。
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7.0 注意事项
先宏观再微观
先检查整体外观和功能， 再检查局部外观与功能。
先简单再复杂
先做简单的项目分析，再 进行复杂的项目分析。
先静态后动态 先恢复再分解
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先做空载和常温等常规测 试，再模拟使用条件测试。
先进行模拟实验，尽力恢 复失效功能或参数，再做 分层解剖检查分析。
机械应力的过程。
常见的失效机理有：
表面劣化
插芯端面磨损
材料缺陷
芯片偏心量超标
体内劣化
芯片透镜脏污
设计缺陷
镜架漏光
2失效分析的基本理论和技术
损伤容限设计原则在寿命预估中未考虑裂纹的萌生阶段
4 失效预防与失效评估
耐久性设计
建立在安全寿命设计基础之上 吸收了损伤容限设计的优点 引入了经济维修的概念 利用“概率”方法估算结构使用寿命及维修周期
⑥做分析结论并写出有建设性意见的报告
第二讲 失效分析的基本理论和技术
2. 裂纹分析
裂纹和断口是表述断裂失效过程不同阶段的术语。 在力的作用下，零件表面或内部的连续性遭到破坏而未最
终破断之前称为裂纹，最终破断的断裂面称为断口。 断裂经历裂纹的萌生、扩展直至最终破断等不同阶段。
断裂过程的每一阶段会在断口上留下相应的痕迹、形 貌与特征。
断口分析技术一般应包括分析对象的确定与显示技术、观 察与照相记录技术、识别与诊断技术，定性与定量分析技 术以及仪器与设备的使用技术等。
1 断口观察的原则
目的性与客观性 全面性和典型性 受动性与主动性 感性因素与理性因素
2 断口宏观分析 • 断口宏观分析：指在各种不同照明条件下用肉眼、放大镜和 体视显微镜等对断口进行直接观察与分析。
安全寿命设计并不能保证安全
4 失效预防与失效评估 经典疲劳强度理论
名义应力应变法、局部应力应变法
并未造成事故，但却严重影响飞行训练
许多疲劳裂纹
需对结构进行复杂的检测和维修，使飞 机的经济性变差
可能因少数飞机的个别部件裂纹不可修 理,而使大批飞机提前退役,更会造成极大 的资源浪费
4 失效预防与失效评估 损伤容限设计
但是，一旦造成失效必定造成不同程度上 的损失，有些事故要从根本上进行解决需要付 出诸如改进设计、更换材料等巨大代价。
失效分析技术
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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、 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
3. 失效模式
失效模式的例子
在这里给出部分电子元器件现场使用失效主要 失效模式及其分布的数据统计结果（ 失效模式及其分布的数据统计结果（资料来源： 资料来源： 电子工业部可靠性管理办公室“八五”成果汇 编）。
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3. 失效模式
分立器件使用中的失效 模式及分布
集成电路使用中的失效 模式及分布 26/70
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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） 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 为进行可靠性改进的机会。 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， 学习基础知识和技能，了解相关标准 希望更多人关心、 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、 设计师、工艺师、 工艺师、质量师和可靠性师 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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3. 失效模式
失效模式的概念和种类
JPL Publication 96Applications) ions) 96-25,(GaAs MMIC Reliability Assurance Guideline for Space Applicat
失效分析技术(第一部分)--赛宝实验室 李少平
第二讲：失效分析经典案例 （1） 失效分析全过程案例 （2） 静电与闩锁失效分析案例 （3） 电浪涌失效分析案例 （4） 机械应力失效分析案例 （5） 结构缺陷失效分析案例 （6） 热变应力失效分析案例 （7） 材料缺陷失效分析案例 （8） 整机制造工艺缺陷失效分析案例 （9） 整机设计缺陷失效分析案例 （10） 污染腐蚀失效分析案例 （11） 元器件固有机理失效分析案例。 上述案例包含元器件的各个门类，包括电阻器、电容器、电感器、 二极管、三极管、集成电路、组件、板件（PCBA）。
场效应晶体管的静电放电损伤：
失效现象：研发过程大量的、莫名其妙的失效，没有加电而失效。 失效分析：微尺寸击穿点、熔融；排除破裂、污染、缺陷、使用过电。 诊断结果：静电放电击穿 机理研究：静电产生机理、静电放电机理 应用：评价、抗静电设计、降低静电来源，预防静电放电
CEPREI 中国赛宝实验室 17 CEPREI
“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！”
CEPREI
中国赛宝实验室
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一、失效分析的作用 从可靠性三个阶段见证失效分析的作用
SPC： 正常不良率：300ppm 异常不良率：500ppm
一、失效分析的作用 从可靠性三个阶段见证失效分析的作用
张峥-失效与失效分析培训
在肯尼迪航天中心，把在得克萨斯州和路易斯安纳州历时四个月收集来的8.4万片大约38％飞机的残骸进行分类和重新组装。
为了查清原因，首先由NASA支持组成了调查组，由材料和工艺的工程师和科学家组成。
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左侧下翼碎片
右侧下翼碎片
从哥伦比亚航天飞机左及右侧恢复的碎片量比较。在轮子前左右相当，在轮子后左右相差很大。
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失效分析的思路
采用类比推理或逻辑推断的思路
Instron 疲劳试验机
疲劳试验
Amsler 疲劳试验机
USF 2000 超声疲劳试验机
疲劳试验
应力/MPa
频率/Hz
应力比
设计总寿命/次
1
低周疲劳
10005-199832高周疲劳
710
20
-1
142,014
3
高频疲劳
710
120
1
失效分析程序和思路
北京航空航天大学材料科学与工程学院张 峥
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失效的概念
GB3187-82中定义，产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。 结构、零件或机器的形状、尺寸或材料性能发生改变，不能满意地执行预期的功能。 机械失效主要包括变形、断裂、腐蚀、磨损。 突发性、渐进性和间歇性。
思路
原因、中间现象、结果顺藤摸瓜顺藤找根顺瓜摸藤顺根摸藤瓜－藤－根根－藤－瓜藤－根，藤－瓜
失效分析时要关注的零件
当前失效件潜在失效件过去失效件
残骸分类
肇事失效件 泛指直接其他机件失效的机件； 特指直接机械失效甚至造成机械事故的机件。相关失效件 泛指对其他机件的失效有直接影响的机件。
残骸分类
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失效分析的作用
4、失效分析可为技术开发、技术改造、技术进步提供信息、方向、途径和方法 5、失效分析可为各 级领导进行宏观经济 和技术决策提供重要 的科学的信息来源。