失效机理与损伤模型

失效机理与损伤模型

作者:Abhijit Dasgupta, Michael Pecht and Ji Wu 美国马里兰大学CALCE 电子产品与系统中心

概念

工程系统发生的失效是由某种特定原因导致的，不管这些失效原因是否预见，大多数失效原因是与用户的特定操作相关的。

失效主要来自于制造商对用户需求和期望的忽视和/或轻视、设计不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等。

失效是一个复杂的概念，其有关的四个简化概念模型是：应力－强度，损伤－韧性，激励－响应，和容限－规格。特定的失效机理取决于材料或结构缺陷、制造或组装过程中导致的损伤、存储和现场使用环境等。

影响事物状态的条件统称为应力（载荷），例如机械应力与应变、电流与电压、温度、湿度、化学环境和辐射等。影响应力作用的因素有材料的几何尺寸、构成和损伤特性, 还有制造参数和应用环境。

术语应力（载荷），如在总结及结论中所定义的，它涵盖内容非常广泛。术语环境是各种应力的综合作用，同样，它内容也非常广泛。

失效的概念模型

一般认为失效是一种二元状态，即某件东西坏了或没坏；然而大多数实际失效要比这复杂得多。失效是以下两者的交互作用综合体的结果：a.作用在系统上或系统内的应力；b.系统的材料/组件。交互作用涉及到的每个变量通常认为是随机的，因此，要正确地理解系统可靠性，就需要充分理解材料/组件对应力的响应，以及每个变量的可变性。

失效的四个简化概念模型定义如下：

1. 应力－强度。当且仅当应力超过特定强度时，物体才会失效。一个未失效的物体就像新的一样。如果应力没有超过强度，应力无论如何都不会对物体造成永久性的影响。这种失效模式更多地取决于在环境中关键事件的发生，而不是时间或循环历程。强度经常被视为随机变量。可用于这一模型的例子是：a.钢棒受拉应力；b.在晶体管发射极-集电极之间施加电压。

2. 损伤－韧性。应力可以造成不可恢复的累积损伤，如腐蚀、磨损、疲劳、介质击穿等。累积损伤不会使产品使用性能下降。当且仅当损伤超过韧性时，也就是损伤累积到物体的韧性极限时，物体才会失效。当应力消除时，累积损伤不会消失，虽然有时可以采用退火。韧性经常被看作为随机变量。

3. 激励－响应。如果系统的一个组件坏了，只有当该组件被激励（需要）时才发生响应失效，并暴露它是坏了，并导致系统失效。一个生活中常见的例子就是汽车中的紧急刹车装置。大多数计算机程序（软件）失效都属于这种类型，电话交换系统也与这种失效模式类似。这种失效模式更多地取决于环境中的关键事件何时发生，而不是时间或循环历程。当这种失效模式的失效在系统中很少发生时，通常就很难判断到底是激励不当，或的确属于某种失效。

4. 容限－规格。该模型用于当且仅当容限在规格范围内时，系统的性能特征才能符合要求，也就是失效发生时，系统名义上在工作，但工作状态不佳。这一模型的例子有复印机、测量仪器。任何存在性能质量渐进退化的部件或系统，都可以用该模型来表示。

本文介绍了各种可以使材料特性退化的失效机理，这种退化可以引起由于以上介绍的四种概念模型中的一个或多个导致的产品失效。

失效机理

失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。该过程是应力作用在部件上造成损伤，最终导致系统失效。本质上，它是上面介绍的概念模型中的一个或多个导致的。为了开发可靠的产品，必须要了解产品潜在的失效机理。如果能用模型来量化描述相关失效模式，就可以促进产品设计原则方针的开发。因此，识别系统在生命周期过程中所受的应力所激发的各种失效机理是很必要的。在本文中，失效机理被

概括分为过应力机理和磨损机理。

表1列出了可能发生失效的一般失效机理，表中包括了常见失效机理，而未列出主要在晶圆级集成电路中发生的失效过程，如介电击穿、热载流子、慢俘获、表面电流扩散、电迁移等。

要尽量避免使用"随机失效"这个词，因为这个词经常被误解且/或被误用来表示"没有原因"。我们通常需要用随机分布和过程来量化我们对于失效机理所涉及的应力、材料/组件和其它变量的无知。但是如果我们不了解这些变量，例如，a.系统的几何和材料特性；b.在制造、存储、操作、周转、测试、使用和维修过程中所施加的应力，就不能量化失效的这些随机特征。

应力类型

对失效机理进行分类的另一种方法，就是基于触发失效机理的应力类型：机械、热、电、辐射和化学。这样分类并不完整，各类之间也不完全独立，而仅仅是为了方便讨论。

·机械失效是指由弹性变形和塑性变形、翘曲、脆性断裂和形变断裂、疲劳断裂萌生和扩展、蠕变和蠕变断裂导致的失效。许多其它类型的失效机机理会最终导致机械失效，同时机械失效（如线缆断裂）会导致电气失效

·热失效是指当组件加热到超过其临界温度，如玻璃化转换温度、熔点或闪点时发生的失效。热膨胀和热收缩会产生机械应力

·电气失效是指由静电放电、介质击穿、节点击穿、热电子注入、表面俘获和体俘获、表面击穿等引起的失效

·辐射失效是由放射性污染物和二次宇宙光所引起的失效

·化学失效是指由化学环境引起腐蚀、氧化和表面离子枝晶生长等的失效

通常各种应力存在交互作用，如：

·由于在热应力作用下产生热膨胀不匹配，从而引起机械失效

·应力辅助作用下的腐蚀

·应力-腐蚀断裂

·场致金属迁移

·温度引起对化学反应的加速

不是所有的失效机理都与任何一个特定的系统相关。

过应力失效机理和磨损失效机理在下面进行概述。

过应力失效机理

大弹性变形

当发生过大的弹性变形时，会发生失效，尤其是过应力作用在细长结构上。这种失效需要使用有限变形弹

性力学的非线性理论进行分析。需要注意这一种类型失效可能对高精度结构造成问题，如太空镜、太空天线；或大柔性结构，如太空天线、太阳电池板。它们如果产生大变形会触发物体产生不稳定的振动模式。在电子封装中发生大弹性变形的例子包括：键合丝(bondwires)的大柔性变形会导致间隙串扰和/或短路，柔性板的大柔性变形会在焊端和焊点上产生应力。

屈服

如定义所示，对一个组件施加的应力超过其屈服强度时，就会产生不可回复的塑性应变，即永久变形。根据应用条件不同，这种永久性的变形可能不会成为失效。这种现象通常发生在金属组件上，有些金属表现出很好的塑性，有些则表现出明显的应变硬化。机械组件如凸轮、齿轮、轴承通常会进行热处理以提高它们的屈服强度，以防止产生塑性变形。电子封装也会产生屈服，电子封装的金属部件如焊料、键合丝、镀铜过孔(copper plated vias)和金属化层(metallization)，在热机械应力作用下都可能产生屈服。

翘曲

翘曲是由于细长结构在压应力作用下，突然丧失了弹性稳定性而导致的。临界翘曲应力是材料特性（如刚性）和结构参数（如长度直径比）综合作用的结果。用数学公式来表示，翘曲可以表述为沿着不稳定路径正交于初始变形模式的形变，它可以用本征值理论和/或双态理论模拟。翘曲是土木工程结构中受压力作用的柱状结构、航天器硬壳式机身和机翼机构中受剪切作用的面板的常见设计问题。在电子封装中，翘曲现象发生在由于与基板的热膨胀不匹配导致薄膜的起皱、由于未对准插件的插力过大导致器件引脚变形塌陷。

脆性断裂

在脆性材料（也就是那些在断裂前表现出很少的屈服和非弹性的材料）中，局部微小的瑕疵可能造成尖锐的应力集中。对脆性材料施加过大的应力时，会在主要的微瑕疵处产生突然灾难性的裂纹扩展，从而导致失效。

基于局部应力的失效判据是不可行的，因为不论材料所受远场平均或者公称应力水平高低，对瑕疵或裂纹的尖部采用线弹性分析预测到的应力都是无穷大的。因此，断裂失效机理基本的方法是预测能够使局部裂纹扩展的远场应力水平。

当尖锐的脆性裂纹扩展时，结构的弹性能总量会改变，这一弹性能总量可以与产生新断裂表面所需要的能量进行比较，从而计算出能导致结构产生局部裂纹扩展的平均的远场应力水平（在没有裂纹的情况下）。

Griffith的分析和试验证明：失效不仅与所施加的远场应力大小有关，也与瑕疵大小有关。因此，需要用一种新的衡量方法来评估应力的严重性。应力－强度因子就是这样一种评估方法，因为它的大小取决于所施加应力和瑕疵大小。这样，根据脆性材料失效时的临界应力－强度因子，就可以评价材料的断裂刚性。在强化金属和陶瓷中发生的类似脆性断裂可能导致失效，热固聚合体会由于脆性裂纹发生大规模的微裂纹和龟裂。在电子封装中，脆性断裂常见例子是玻璃密封胶和硅片材料产生裂纹。脆性断裂也会发生在延展性材料如焊料所形成的脆性金属间化合物上。

形变断裂

当裂纹尖部在过应力作用下产生塑性变形时，脆性断裂的线弹性理论就不适用了，应力－强度因子的概念也没有了物理意义，同时也不能用来描述材料的断裂刚性。然而，Griffith的能量概念仍然适用，可以用来计算裂纹尖部的能量释放率，同时也可以用来预测形变断裂。

在机械工程中，对于高温应用的相对塑性材料，这种基于能量的方法是通用的，如在发动机力的燃烧室使用的材料，它在裂纹尖部处的塑性变形和蠕变是不能被忽视的。在电子封装中，形变断裂这种情况可能发生在塑性非弹性材料中，如焊料、铝／金键合丝。

界面粘附失效

界面粘附失效发生在两个相互粘附材料界面上。相互扩散作用可提高两种不同材料之间界面粘接强度。界面强度取决于界面的化学和机械特性。在界面上发生粘附失效是需要做功的，

粘附是一种衡量在分离前可以在界面上转移的最大机械功。分离两个材料的界面所需的功包括粘附功、两个粘附材料进行弹性／非弹性变形所需要的功。从试验角度，界面粘附强度通常用两种材料之间的电子粘合能来描述，它是两种材料的唯一特性。