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
uP
Pu P
u
u
Ni
Ni P
Ni
Ni
Ni
P
Ni
Ni
Ni P
Ni Ni
Ni P
Ni
Ni
Ni
P
Ni
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。
焊点失效分析技术与案例-经典
1.0 PCBA焊点可靠性的位置与作用
电子电 器核心
PCBA (Printed Circuit Board Assembly 印制电路组件 )
焊 点 可 靠 性
互连可靠性 （压 其接 它绑 ）定
PCB 可 靠 性
可元 靠器 性件
1.1 导致PCBA互连失效的主要的环境原因
Source: U.S. Air Force Avionics Integrity Program
镍镀层的组成EDX分析（P含量偏低）
4.1 MP3主板焊点脱落原因分析(7)
Au Ni Cu LAMINATE
ENIG Finish Pad 结构示意图
分 析 结 论
PCB焊盘金镀层和镍镀层结构不够致密，表面存在裂缝，空气中的水份容 易进入以及浸金工艺中的酸液容易残留在镍镀层中；同时镍镀层磷含量 偏低，导致了镀层耐酸腐蚀性能差，容易发生氧化腐蚀变色，出现 “黑 焊盘”现象，使镀层可焊性变差。通常作为可焊性保护性涂覆层的金镀 层在焊接时会完全溶融到焊料中，而镍镀层由于可焊性差不能与焊料形 成良好的金属间化合物，最终导致元器件因焊点强度不足而容易从PCB板 面脱落。
1.2 PCBA焊点的主要失效模式
主要失效模式
假 焊 虚 焊
机 械 强 度 低
疲 劳 寿 命 低
腐 蚀
其 他
1.3 PCBA焊点形成过程与影响因素
焊点形成的基本过程 润湿
扩散 冶金化
最关键步骤，影响因素：PCB、 元器件、焊料、焊剂设备、 工艺参数
焊接温度、焊接时间、冷却时间
焊接温度、焊接时间
1.3.1 焊点形成的关键－润湿过程分析
FA－Case1: MP3主板焊点脱落原因分析 FA－Case2：FPC焊盘失效分析（1853） FA－Case3：CMOS/CS 焊点开路失效分析（1773）
《失效分析案例》课件
02
失效分析的方法与技术
介绍了各种失效分析的方法和技术，如外观检查、化学分析、金相切片
、扫描电子显微镜等，以及它们在失效分析中的应用。
03
失效分析案例介绍
列举了一些典型的失效分析案例，包括电子产品、机械零件、复合材料
等，详细介绍了这些案例的失效模式、失效机理和失效原因。
失效分析的展望
失效分析技术的发展趋势
案例三：材料失效
总结词
材料检测、工艺优化、热处理
详细描述
针对材料失效，进行材料检测和工艺优化是关键。通过合理的热处理和加工工艺 ，可以改善材料的性能，提高其抗失效能力。同时，加强材料保护和使用合适的 涂层也是预防材料失效的重要手段。
案例四：结构失效
01 总结词
强度不足、失稳、疲劳
02
详细描述
结构失效通常表现为强度不足 、失稳和疲劳等问题。这些失 效原因可能导致建筑物、桥梁 等结构性能下降、功能丧失或 引发安全问题。
在产品维修和保障阶段，FMEA可以用于分析产品在使用过程中可能出现的问题， 预测产品的寿命和可靠性，为维修和保障计划提供依据。
05 预防与纠正措施
电子产品失效预防与纠正措施
总结词
电子产品失效预防与 纠正措施是确保电子 产品可靠性和性能的 关键。
元器件选择
选择质量稳定、可靠 性高的元器件，避免 使用次品或假冒伪劣 产品。
详细失效分析
采用各种技术和方法，深入分 析失效机制和根本原因。
验证与实施
对改进措施进行验证，并在实 际中实施，以改善产品的可靠 性和性能。
02 失效案例选择与 介绍
案例一：电子产品失效
总结词
详细描述
总结词
详细描述
最新失效分析经典案例分享
最新失效分析经典案例分享案例一：某知名手机品牌电池爆炸事件某知名手机品牌近期发生了一起电池爆炸事件，导致用户受伤。
经过详细的失效分析，发现电池在高温环境下，由于内部结构设计不合理，导致电池内部短路，进而引发爆炸。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须高度重视电池的安全性，严格把控电池的质量和性能。
案例二：某电动车品牌刹车失灵事件某电动车品牌近期发生了一起刹车失灵事件，导致用户在行驶过程中无法及时停车，造成交通事故。
经过失效分析，发现刹车系统中的传感器存在设计缺陷，导致刹车信号无法正常传输。
这一案例警示我们，在产品设计和生产过程中，必须关注关键部件的可靠性，确保产品的安全性。
案例三：某智能门锁品牌指纹识别失效事件某智能门锁品牌近期发生了一起指纹识别失效事件，导致用户无法正常使用门锁。
经过失效分析，发现指纹识别模块中的芯片存在质量问题，导致识别准确率下降。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须关注关键零部件的质量，确保产品的稳定性和可靠性。
最新失效分析经典案例分享案例四：某品牌空调制冷效果不佳事件某品牌空调近期被用户投诉制冷效果不佳，经过详细的失效分析，发现空调制冷系统中的冷凝器存在制造缺陷，导致制冷剂泄漏，影响了空调的制冷效果。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须重视冷凝器等关键部件的质量，确保空调的制冷效果。
案例五：某品牌笔记本电脑触摸屏失灵事件某品牌笔记本电脑近期发生了一起触摸屏失灵事件，导致用户无法正常使用触摸屏功能。
经过失效分析，发现触摸屏的传感器存在设计缺陷，导致触摸信号无法正常传输。
这一案例警示我们，在产品设计和生产过程中，必须关注触摸屏等关键部件的可靠性，确保产品的使用体验。
案例六：某品牌洗衣机漏水事件某品牌洗衣机近期发生了一起漏水事件，导致用户家中地面受损。
经过失效分析，发现洗衣机的排水系统存在设计缺陷，导致排水不畅，进而引发漏水。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须关注排水系统等关键部件的设计，确保产品的使用安全。
电子元器件失效分析技术与案例
电子元器件失效分析技术与案例费庆学二站开始使用电子器件当时电子元器件的寿命20h.American from 1959 开始：1。
可靠性评价，预估产品寿命2。
可靠性增长。
不一定知道产品寿命，通过方法延长寿命。
通过恶裂环境的试验。
通过改进提高寿命。
―――后来叫a.可靠性物理—实效分析的实例 b.可靠数学第一部分：电子元器件失效分析技术（方法）1．失效分析的基本的概念和一般程序。
A 定义：对电子元器件的失效的原因的诊断过程b.目的：0000000c．失效模式――》失效结果――》失效的表现形式――》通过电测的形式取得d．失效机理：失效的物理化学根源――》失效的原因1）开路的可能失效机理日本的失效机理分类：变形变质外来异物很多的芯片都有保护电路，保护电路很多都是由二极管组成正反向都不通为内部断开。
漏电和短路的可能的失效机理接触面积越小，电流密度就大，就会发热，而烧毁例：人造卫星的发射，因工人误操作装螺丝时掉了一个渣于继电器局部缺陷导致电流易集中导入产生热击穿（si 和al 互熔成为合金合金熔点更低）塑封器件烘烤效果好当开封后特性变好，说明器件受潮或有杂质失效机理环境应力：温度温度过低易使焊锡脆化而导致焊点脱落。
，2．失效机理的内容I失效模式与环境应力的关系任何产品都有一定的应力。
a当应力>强度就会失效如过电/静电：外加电压超过产品本身的额定值会失效b应力与时间应力虽没有超过额定值，但持续累计的发生故：如何增强强度&减少应力能延长产品的寿命c.一切正常，正常的应力，在时间的累计下，终止寿命特性随时间存在变化e机械应力如主板受热变形对零件的应力认为用力塑封的抗振动好应力好陶瓷的差。
f重复应力如：冷热冲击是很好的零件筛选方法重复应力易导致产品老化，存在不可靠性故使用其器件：不要过载；温湿度要适当II如何做失效分析例：一个EPROM在使用后不能读写1)先不要相信委托人的话，一定要复判。
2)快始失效分析：取NG&OK品，DataSheet，查找电源断地开始测试首先做待机电流测试（IV测试）电源对地的待机电流下降开封发现电源端线中间断（因为中间散热慢，两端散热快，有端子帮助散热）因为断开，相当于并联电阻少了一个电阻，电流减小。
2失效分析的基本讲义理论和技术
• 亦可称为摩擦痕迹，它是摩擦过程的真实记录。
3.机械接触的损伤痕迹
②滑动性机械痕迹的分类
a. 犁痕(即划痕)：包括犁皱痕迹、犁削痕迹和犁碎痕迹 b. 粘着痕迹 c. 摩擦疲劳痕迹 d. 摩擦腐蚀痕迹(复合型)
4.电接触损伤痕迹
主要包括: • 电腐蚀(电侵蚀）痕迹 • 电腐蚀（表面）损伤痕迹 • 电接触粘附 • 电磨损痕迹 • 静电痕迹
断口和裂纹分析就是通过对这些痕迹、形貌与特征的 观察、鉴别及分析，揭示出断裂过程的相关因素，从 而判明断裂失效的性质与机理。
断口和裂纹分析是断裂失效分析的基础。
1.裂纹分析的力学基础
① 裂纹深度与断裂强度的经验公式
断裂强度c与裂纹深度a的平方根成反比：
K c a
或
c
K a
• K—非一般的比例常数，它表达了裂纹前端的力学因素，反映材料
5.热损伤痕迹
①热冲击
➢ ➢ 表面烧蚀变色，失去金属光泽 ➢ 表面龟裂，萌生热疲劳裂纹，并且出现多条热疲劳裂纹
5.热损伤痕迹
②热磨损
• 当固体物体相互滑过时，甚至在中等负荷和速度下都可能产生非常高 的表面温度。
③低熔点金属的热污染
• 低熔点金属受热液化时若与固体金属表面直接接触，常使该固体金属 浸湿而脆化，在拉伸应力的作用下，从表面起裂，而裂纹尖端吸附低 熔点液态金属原子，进一步降低固体金属的晶体结合键强度，导致裂 纹脆性扩展。
抵抗脆性断裂能力的一个断裂韧性指标。
c
K a
② 断裂韧性的基本概念
(1) 平面应力和平面应变的概念
（a）带缺口的拉伸试样 （b）平面应力状态（Z=0） （c）平面应变状态（Z=0）
电子元器件失效分析技术经典案例1
失效发生期与失效机理的关系
• 早期失效：设计失误、工艺缺陷、材料 缺陷、筛选不充分
• 随机失效：静电损伤、过电损伤 • 磨损失效：元器件老化 • 随机失效有突发性和明显性 • 早期失效、磨损失效有时间性和隐蔽性
失效分析的一般程序
• 收集失效现场数据 • 电测并确定失效模式 • 非破坏检查 • 打开封装 • 镜检 • 通电并进行失效定位 • 对失效部位进行物理化学分析，确定失效机
理 • 综合分析，确定失效原因，提出纠正措施
收集失效现场数据
• 作用：根据失效现场数据估计失效原因 和失效责任方 根据失效环境：潮湿、辐射 根据失效应力：过电、静电、高温、低 温、高低温 根据失效发生期:早期、随机、磨损
• 应力－时间模型（反应论模型） 失效原因：应力的时间累积效应，特性变化超 差。如金属电迁移、腐蚀、热疲劳
温度应力－时间模型
dM
E
Ae kT
dt
M温度敏感参数, E激活能, k 玻耳兹曼常量, T绝对温度, t时间, A常数
T大, 反应速率dM/dt 大，寿命短
E大，反应速率dM/dt 小，寿命长
电路设计、改进电路板制造工艺、提高测试技 术、设计保护电路的依据 • 整机用户：获得改进操作环境和操作规程的依 据 • 提高产品成品率和可靠性，树立企业形象，提 高产品竞争力
失效分析技术的延伸
• 进货分析的作用：选择优质的供货渠道， 防止假冒伪劣元器件进入整机生产线
• 良品分析的作用：学习先进技术的捷径
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失效分析技术及经典案例-1-概论new
37
5. 失效机理
集成电路失效机理与寿命模型
器 件 、 材 失效机理 失效模式 料、模块 名称 集成电路 金属化电 开路 迁移
研发过程可细分为设计优化、制造工艺优化（如成品率 优化）、测试筛选与评价试验优化等过程。 在应用过程中，元器件选型、二次筛选条件优化、设备 研制生产中的故障控制对策、可靠性增长、全寿命期维 护等。
16
2. 失效分析的目的和意义
换句话说，这些技术过程需要失效分析工作才 能得以完成或完善。 最简单不过的道理，就是因为可靠性是以不断 地与失效作斗争才能得以维持或提高。如果对 失效的本质不了解，就不能做到知己知彼，就 难以获得取胜的条件。
12
2. 失效分析的目的和意义
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，根据需要，使用电测试以及许多先进的 物理、金相和化学的分析技术，以验证所报告 的失效，确定其失效模式，找出失效机理。
EOS/ESD：Electrical over Stress/Electrostatic Discharge
制造工艺问题导致的失效
张晓明，“对微电子器件失效分析的回顾”，电子元器件，2000，5 33 期
4.失效模式
按失效原因统计失效模式分布
半导体器件、IC和HIC(混合集成电路)失效 模式分布
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
5
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。
PCB失效分析技术总结及实用案例分享
PCB失效分析技术总结及实用案例分享作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，PCB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。
但是由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题。
对于这种失效问题，我们需要用到一些常用的失效分析技术，来使得PCB在制造的时候质量和可靠性水平得到一定的保证，本文总结了十大失效分析技术，供参考借鉴。
1.外观检查外观检查就是目测或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观，寻找失效的部位和相关的物证，主要的作用就是失效定位和初步判断PCB的失效模式。
外观检查主要检查PCB的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等等。
另外，有许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现，是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。
2.X射线透视检查对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X射线透视系统来检查。
X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。
该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。
目前的工业X光透视设备的分辨率可以达到一个微米以下，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有五维（5D）的设备用于封装的检查，但是这种5D的X光透视系统非常贵重，很少在工业界有实际的应用。
3.切片分析切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB横截面结构的过程。
通过切片分析可以得到反映PCB（通孔、镀层等）质量的微观结构的丰富信息，为下一步的质量改进提供很好的依据。
但是该方法是破坏性的，一旦进行了切片，样品就必然遭到破坏；同时该方法制样要求高，制样耗时也较长，需要训练有素的技术人员来完成。
设计失效分析DFMEA经典案例剖析
优质的产品是企业赢得市场 份额的关键因素之一。通过 DFMEA分析优化产品设计， 可以提高产品的竞争力，帮
助企业抢占市场份额。
增加企业收益
提高产品质量、降低生产成 本和增强市场竞争力都可以 为企业带来更多的收益。
07
总结与展望
DFMEA应用现状及挑战
01
应用现状
02 广泛应用于产品设计阶段，以预防潜在的设计缺 陷。
根据风险等级划分结果，优先处 理高风险失效模式，制定相应的 改进措施。
02
改进措施实施与验 证
实施改进措施后，对产品进行重 新评估，确保改进措施的有效性。
03Βιβλιοθήκη 持续改进在产品生命周期中持续进行 DFMEA分析，不断优化产品设 计，提高产品质量和可靠性。
03
经典案例一：汽车零部件设计 失效分析
案例背景介绍
改进措施实施及效果验证
改进措施
针对识别出的失效模式和原因，采取了相应的改进措施，如优化散热设计、改进电源管理模块、修复软件编码错误和 内存泄漏等。
效果验证
在实施改进措施后，对设备进行了重新测试和验证。结果显示，电池温度明显降低，屏幕闪烁问题得到解决，应用程 序运行稳定且不再崩溃。
经验教训
该案例表明，在设计阶段充分考虑潜在失效模式和影响至关重要。通过DFMEA等方法进行预防性分析， 可以及早发现并解决潜在问题，提高产品的可靠性和安全性。同时，持续改进和优化设计也是提升产品 质量和用户满意度的关键所在。
探测度评估
评估现有控制措施在多大程度上能够探测到失效模式的发生。
风险优先数计算
计算风险优先数（RPN）
将严重度、频度、探测度的评估结果相乘，得到每种失效模式的风险优先数。
失效分析经典案例--BGA焊接不良
DFR-01
一、样品描述
所送检的PCBA样品经电性能测试发现其BGA部位可能有焊接不良（怀疑虚焊）存在，现需分析该问题是该PCBA在SMT制程中造成或是PCB 的（即上锡不良）原因。
委托单位提供了一件PCBA样品与所用的3件PCB 样品。
二、分析过程
1、显微分析
将PCBA上的BGA部分切下，用环氧树脂镶嵌、刨磨、抛光、腐蚀制作BGA焊点的金相剖面或截面，然后用Nikon OPTIPHOT金相显微镜与LEICA MZ6立体显微镜进行观察分析，发现在第一排的第四焊点存在缺陷，锡球与焊盘间有明显的分离现象（图1），其他焊点未检查到类似情况。
图1 BGA焊点（第一排第4个）切片截面显微镜照片（1）
2、PCB焊盘的可焊性分析
图2 BGA焊点缺陷部位放大的显微镜照片（2）
图3 PCB上的BGA焊接部位的润湿不良的焊盘（1）
图4 PCB上的润湿不良的焊盘（2）3、PCB表面状态分析
4、SEM以及EDX分析
图6 不良焊点截面的外观SEM分析照片。
图7 SEM照片中A部位的化学（元素）组成分析结果
图8 SEM照片中B部位的化学（元素）组成分析结果
图9 图5中不良焊盘的表面的化学（元素）组成分析结果
5、焊锡膏的润湿性分析
三、结论
经过以上分析，可以得出这样的结论：
1、送PCBA样品的BGA部位的第一排第4焊点存在不良缺陷，锡球焊点与
焊盘间有明显开路。
2、造成开路的原因为：该PCB的焊盘润湿性（可焊性）不良，焊盘表
面存在不明有机物，该有机物绝缘且阻焊，使BGA焊料球无法与焊盘在焊接时形成金属化层。
PCB失效分析技术与案例
PCB失效分析技术与案例PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）作为电子产品的核心组成部分，承载着各种电子元件和连接线路，是电子产品正常运行的基础。
然而，由于各种原因，PCB可能会出现失效现象，例如电气失效、机械失效、热失效等。
本文将介绍几种常见的PCB失效分析技术以及相应的案例。
一、电气失效分析技术1.测试仪器：使用示波器、万用表、频谱分析仪等仪器对PCB进行电气特性分析，检测电气性能是否正常。
2.红外测试：使用红外线热像仪对PCB进行红外检测，查找异常发热点，判断是否存在热失效等问题。
3.焦耳热分析：通过加热PCB，利用焦耳热效应来检测是否有电气连接不良，或是电敏感元器件的温度分布不均等问题。
案例：电子产品的PCB在使用过程中发现频繁死机。
经过电气失效分析发现，其中一个芯片温度异常升高，通过焦耳热分析发现该芯片与PCB之间的焊点存在接触不良，导致芯片发热过高而死机。
二、机械失效分析技术1.目视检查：通过目视检查PCB表面是否存在物理损伤，如裂纹、变形等。
2.显微镜观察：使用显微镜对PCB进行观察，检查PCB连接是否完好，是否存在疲劳裂纹等。
3.声发射检测：利用声发射检测仪器对PCB进行检测，通过检测不同频率的声波来判断是否存在机械失效。
案例：电子产品的PCB在物理冲击后无法正常工作。
经过机械失效分析发现，PCB上的一个元件发生了松动，导致接触不良。
通过目视检查和显微镜观察，最终发现该元件的焊点出现了裂纹，进一步造成了PCB的机械失效。
三、热失效分析技术1.热测量：使用热敏电阻或红外线热像仪对PCB进行温度测量，查找温度异常区域，判断热失效的可能性。
2.热分析：利用有限元软件对PCB进行热仿真分析，通过数值模拟来预测PCB在工作过程中的温度分布和热应力。
案例：电子产品的PCB过热导致无法正常工作。
经过热失效分析发现，PCB散热不良，导致温度过高。
通过热测量发现，PCB上的散热片连接不良，无法正确散热。
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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
9/70
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
7/70
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
3/70
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。