材料失效分析论文

第一篇：材料失效分析论文

材料的疲劳断裂失效与预防

摘要:本文从材料疲劳断裂的研究发展，破坏特点及断口分析材料疲劳断裂的原因，并介绍材料疲劳断裂的预防。

关键词： 疲劳断裂 断口 预防

前言

作为科技支柱之一的材料技术的发展直接关系到国家经济、科技的发展水平，材料失效问题普遍存在于各类材料中，它直接影响着产品的质量，关系到企业的信誉和生存。材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点，材料的失效分析和预测预防工作在经济发展中占有十分重要的地位，对于材料失效问题的判断和解决能力，代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平。磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式。材料的疲劳断裂失效的研究和发展

材料的疲劳与断裂研究试图寻找材料宏观疲劳断裂行为与微观组织形貌的关系。试图探求材料疲劳与断裂的微观机制。

金属(非金属)材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。

机械构件由于材料疲劳损伤导致的断裂往往没有明显的征兆，因此经常引起巨大的灾难性事故，造成人民生命财产损失。因此各个先进的工业化国家都非常重视疲劳与断裂的研究。

材料疲劳与断裂的研究经历了几个阶段。目前，人们已经认识到在循环载荷作用下，金属多晶材料的许多晶粒内部会出现滑移带。这些滑移带会在疲劳形变中继续变化，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。现在，人们可以较好的定量描述裂纹扩展的速率，但是，用材料显微组织的特性可靠的预测其宏观的疲劳断裂性能，还有大量的极具挑战性的工作需要开展，特别是在新材料迅猛发展的时代。

虽然恒定循环应力幅作用下的疲劳破坏是疲劳基本研究的主要内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的含有变幅载荷谱，苛刻环境，低温或高温及多轴应力状态，因此建立能够处理这些复杂服役条件下的可靠寿命预测模型是疲劳研究中最棘手的挑战之一。材料疲劳与断裂的研究是材料科学与工程研究领域中的一个重要分支。

疲劳破坏的特点

尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的 预兆，而是突然地破坏。

第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强 度。

第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。

疲劳断裂断口组成

(1)疲劳源：由于材料质量缺陷、加工缺陷等原因，使得零件局部地区应力集中，这些区域即为疲劳裂纹产生之处，成为疲劳源。零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹；零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。

(2)裂纹扩展区：裂纹产生之后，随着应力循环周期增加，裂纹逐渐扩展成贝壳状或光滑状条纹，即为疲劳辉纹。由于载荷的间断和改变，裂纹时而扩展，时而停滞。零件裂开处的两个面时而闭合，时而分开，以致在两个断面上形成“贝纹状”弧线。这种弧线就叫疲劳裂纹前沿线，其大小与工作应力有关，工作应力小，裂纹寿命长，断口大。

(3)最后断裂区域：或称脆断区，由于疲劳裂纹的扩展，使得零件的有效断面越来越小，应力逐步增加，当最终超过材料强度极限时，零件瞬间突然断裂，断口晶粒较粗大，与发暗的裂纹扩展区明显不同。脆性材料呈结晶状断口；塑性材料呈纤维状，断口呈灰色。

疲劳断裂断口分析

疲劳断口上的三个区域的状况与零件工作时的载荷、应力状态、零件材料性能及加工情况等有关。根据断口形貌可以定性分析零件所受载荷、材料性能和寿命等，有助于分析零件疲劳断裂产生的原因：

(1)疲劳源大多分布于零件表面，一般有1-2个。

(2)疲劳裂纹扩展呈贝纹状时，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。(3)最后断裂区所占面积很大，甚至超过断面的一半以上，说明零件严重过载；若所占面积较小或小于断面一半时，说明零件无过载或过载很小。

在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，承受双向弯曲的零件有2个疲劳源；承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的影响较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。

疲劳断裂的预防

延缓疲劳断裂的时间，延缓金属零件疲劳断裂的萌生时间的措施及方法主要有喷完强化、细化材料的晶粒尺寸及通过形变热处理使晶界成锯齿状或使晶粒定向排列并与受力方向垂直等。

降低疲劳裂纹的扩展率，对于一定的材料及一定形状的金属零件，当其已经产生疲劳裂纹后为了防止和降低疲劳裂纹的扩展，可采用以下措施：对板材零件上的表面局部裂纹可采取止裂孔法，即在裂纹扩展前沿钻孔已组织裂纹进一步扩展；对于零件内表面裂纹可采取扎孔法进行消除；对于表面局部裂纹可采取刮磨修理法等是行之有效的。除此之外，对于零件局部表面裂纹，也可以采用局部增加有效截面或补金属条等措施以降低应力水平，从而达到组织裂纹继续扩展之目的。

正确的选择材料和制定热处理工艺十分重要，合理选择材料的先决条件是设计者充分了解各种材料的各种热学性能和所适用的工作条件。

第二篇：失效分析心得体会

失效分析与无损检测技术综合应用

心 得 体 会

11级检测技术及应用

11802205

薛星 2013年5月30日

尊敬的马老师：

您好！我是11级检测技术及应用的班长薛星。通过这次的讲座，使我受益匪浅。您给我们针对CR技术、失效分析和无损检测的新技术进行了一一的讲解，让我们对我们的专业有了进一步的认识，也对本专业的发展有了深入了解。

CR技术(Computed Radiography；Computed Radiology)，是一种数字化的新的非胶片射线照相检验技术。目前，它采用贮存荧光成像板(Storage Phosphor Imaging Plate)完成射线照相检验。

采用贮存荧光成像板的CR技术，是基于某些荧光发射物质，具有保留潜在图像信息的能力。这些荧光物质受到射线照射时，在较高能带俘获的电子形成光激发射荧光中心(PLC)。采用激光激发时，光激发射荧光中心的电子将返回它们初始能级，并以发射可见光的形式输出能量。这种光发射与原来接收的射线剂量成比例。这样，当激光束扫描贮存荧光成像板时，就可将射线照相图像转化为可见的图像

无损检测新技术有激光超声检测方法、激光（错位）散斑检测方法、红外热像检测方法、微波检测技术、超声波时差衍射技术、金属磁记忆检测技术、数字射线成像技术、远场涡流检测技术等。其中红外热像检测对蜂窝积水问题的应用较多。

本次的讲座让我们对无损检测的发展前景充满了信心，随着社会的发展，无损检测技术的应用也随之增多。讲座针对无损检测技术、设备和应用都做了讲解，使我们对无损检测从理论到应用都有了深入了解。相信通过我们的认真学习，一定会在无损检测技术中提高理论和实践的只是和技能。近年来,随着军事工业和航空航天工业中各种高性能的复合材料、陶瓷材料的应用,微波无损检测的理论、技术和硬件系统都有了长足的进步,从而大大推动了无损检测技术的发展。

第三篇：金属材料失效分析

金属材料失效分析

★★★★★微谱检测：中国权威检测机构★★★★★

----------专业进行金属材料失效分析

微谱检测是国内最专业的未知物剖析技术服务机构，拥有最权威的图谱解析数据库，掌握最顶尖的未知物剖析技术，建设了国内一流的分析测试实验室。首创未知物剖析，成分分析，配方分析等检测技术，是未知物剖析技术领域的第一品牌！

上海微谱化工检测技术有限公司，是一家专业从事材料分析检测技术服务的机构，面向社会各业提供各类材料样品剖析、配方分析、化工品检验检测、单晶硅纯度检测及相关油品测试服务。

本公司由高校科研院所教授博士领衔、多个专业领域专家所组成的技术团队具有长期从事材料分析测试的经验，技术水平和能力属国内一流。通过综合性的分离和检测手段对未知物进行定性鉴定与定量分析，为科研及生产中调整配方、新产品研发、改进生产工艺提供科学依据。

微谱检测与同济大学联合建立微谱实验室，完全按照CNAS国家认可委的要求建设，通过CMA国家计量认证，并依据CNAS-CL01：2006、CNAS-CL10和《实验室资质认定评审准则》进行管理，微谱实验室出具的检测数据均能溯源到中国国家计量基准。

微谱检测的分析技术服务遍布化工行业，从原材料鉴定、化工产品配方分析，到产品生产中的工业问题诊断、产品应用环节的失效分析、产品可靠性测试，微谱检测都可以提供最专业的分析技术服务。

微谱检测深耕于未知物剖析技术领域内的创新，以振兴民族化工材料产业为己任！

微谱检测可以提供塑料制品，橡胶制品，涂料，胶粘剂，金属加工助剂，清洗剂，切削液，油墨，各种添加剂，塑料，橡胶加工改性助剂，水泥助磨剂，助焊剂，纺织助剂，表面活性剂，化肥，农药，化妆品，建筑用化学品等产品的成分分析，配方分析，工艺诊断服务。

微谱检测是国内最大的未知物剖析服务机构，专业提供金属材料失效分析、检测服务，技术实力在国内首屈一指。

目前，常可进行的金属材料失效分析项目包括：钢材类（碳钢、低合金钢、中合金钢、高合金钢、不锈钢、工具钢、粉末冶金钢材）；其他金属材料（铁、铝合金、铜合金、镍合金、钛合金、锌合金、电镀材料、矿物、矿物渣等等。微谱检测中心配备当下最先进的现代分析测试仪器，可进行包括力、热、电、光、物理、化学、无损探伤等在内的金属材料失效分析。可帮助企业进行金属加工工艺、材质等级判定、金属元素测试分析等方面的指导，改进其产品质量、性能，提高企业在业界的竞争力。

微谱检测---国内首创成分分析，最大的未知物剖析服务机构。

本公司提供分析，测试，检验，化验，检测服务，可根据客户要求定性定量。可分析测试的样品包括：

1、各种未知物：未知固体，未知粉末，未知液体等

2、有机溶剂： 混合溶剂的成分分析，分离，定性定量；纯溶剂的性能检测，电子、纺织、印刷行业用溶剂，油漆稀释剂，天那水，脱漆剂。

3、各种金属材料

4、光亮剂，杀虫剂，制冷剂，空气清新剂，脱模剂，气雾剂

5、各种助剂：乳化剂、润湿分散剂、消泡剂，润滑剂，增塑剂，阻燃剂，抗燃剂，稳定剂；电子行业（助焊剂）、纺织行业、涂料、塑料加工行业所用的助剂；电镀液（锌、铜、铬、镍、贵重金属）助剂分析

6、塑料和橡胶行业助剂：增塑剂、抗氧剂、阻燃剂、光和热稳定剂、发泡剂、填充剂、抗静电剂等

7、纺织、皮革助剂分析：柔软剂、匀染剂、整理剂等

8、油墨分析：墨水、感光油墨、UV油墨等

9、化妆品：洗发、护发用品、护肤用品、美容用品、口腔卫生制品等 10 水处理剂分析：缓蚀剂、混凝剂和絮凝剂、阻垢剂，沉淀剂等洗涤剂分析：民用和工业用清洗剂高分子材料的性能检测，失效分析工业故障分析诊断，提供解决方案，工艺失效模式分析药物的结构确认化工品中有毒物质的成分及含量检测石油化学品分析：润滑油、切削液，燃料油，表面处理剂等

第四篇：常规失效分析流程

常规失效分析流程

1，接受上级或客户不良品信息反馈及分析请求，并了解客户相关信息。（指失效模式，参数值，客户抱怨内容，型号，批号，失效率，所占比例等，与正常品相比不同之处）

2，记录各项信息内容，以在长期记录中形成信息库，为今后的分析工作提供经验值。

3，收信工艺信息，包括与此产品有关的生产过程中的人，机，料，法，环变动的情况（老员工，新员工，班次，人员当时的工作状态，机台状况，工夹具，所采用的原材料，工艺参数的变动，环境温湿度的变动等）

通常有：装片机号，球焊机号，包封机号，后固化烘箱号，去飞边机号，软化线号，是否二次软化，测试机台，测试参数，料饼品种型号，引线条供应者及批号，金丝品种及型号，供应者等。

4，失效确认，可用自已的测试机检测功能、开短路，以确认客户反映情况是否属实。

5，对于非开短路情况，如对于漏电流大的产品要彻底清洗（用冷热纯水或有机溶剂如丙酮）后再进行下述烘烤试验：125度烘烤24小时或175度烘烤4小时以上，烘箱关电源后门打开45度角缓慢冷却1小时后再测其功能，如功能变好，则极有可能是封装或者测试问题，对封装工艺要严查。

6，对于开短路情况，观察开短路测试值是开路还是短路，还是芯片不良，如是开路或短路，则要注意是第几脚开路或短路，待开帽后用万用表测量该脚所连的金丝的压区与脚之间的电阻，以判断该脚球焊是否虚焊。

7,对于大芯片薄形封装产品要注意所用材料（如料饼，导电胶）是否确当，产品失效是否与应力和湿气有关（125度烘烤24小时或175度烘烤4小时以上，烘箱关电源后，门打开45度角缓慢冷却1小时后再测其功能，如功能变好，则极有可能是封装或者测试的问题，对封装工艺要严查，如检查去飞边方式，浸酸时间等。）

8，80倍以上显微镜观察产品外形特征，特别是树脂休是否有破裂，裂缝，鼓泡膨胀。（注胶口，脚与脚之间树脂体和导电物）

9，对所有失效样品进行X-RAY检查，观察金丝情况，并和布线图相比较，以判断布线是否错误。如发现错误要加抽产品确认失效总数并及时反映相关信息给责任人。

10，C-SAM即SAT，观察产品芯片分层情况

11，开帽：对于漏电流大的产品采用机械方式即干开帽形式，其它情况用强酸即湿开帽形式。切开剖面观察金丝情况，及金球情况，表面铝线是否受伤，芯片是否有裂缝，光刻是否不良,是否中测，芯片名是否与布线图芯片名相符。对于开短路和用不导电胶装片的产品要用万用表检测芯片地线和基岛之间电阻检查装片是否有问题。对于密间距产品要测量铝线宽度，确认所用材料（料饼，导电胶，金丝）是否确当开帽后应该再测试，根据结果进一步分析。

12，腐球：观察压区硅层是否破裂，严重氧化（用王水或氢氧化钠或氢氧化钾），腐球时注意要腐透（金丝彻底脱离芯片或溶化掉），不能用细针去硬拨金丝以免造成人为压区损坏。

13，开帽时勿碰坏金丝及芯片，对于同一客户，同型号，同扩散批，同样类型的失效产品涉及3个组装批的，任抽一批最后对开帽产品进行测试看是否会变好。以确认是否是封装问题。

14，对开帽后漏电流偏大的可以使用微光显微镜检查。

15，对开帽后的芯片最好用SEM仔细检查有无如微小缺陷、氧化层穿孔等缺点。

16，失效分析主要依照：EOS、ESD、封装缺陷、芯片缺陷、CMOS闩锁、设计缺陷、可靠性（如水汽进入、沾污等）展开。

第五篇：电子元器件失效分析

电子元器件失效分析

1.失效分析的目的和意义

电子元件失效分折的目的是借助各种测试分析技术和分析程序确认电子元器件的失效现象.分辨其失效模式和失效机理.确定其最终的失效原因，提出改进设计和制造工艺的建议。防止失效的重复出现，提高元器件可靠性。失效分折是产品可靠性工程的一个重要组成部分，失效分析广泛应用于确定研制生产过程中产生问题的原因，鉴别测试过程中与可靠性相关的失效，确认使用过程中的现场失效机理。

在电子元器件的研制阶段。失效分折可纠正设计和研制中的错误，缩短研制周期；在电子器件的生产，测试和试用阶段，失效分析可找出电子元器件的失效原因和引起电子元件失效的责任方。根据失效分析结果。元器件生产厂改进器件的设计和生产工艺。元器件使用方改进电路板设汁。改进元器件和整机的测试，试验条件及程序，甚至以此更换不合格的元器件供货商。因而，失效分析对加快电子元器件的研制速度.提高器件和整机的成品率和可靠性有重要意义。

失效分折对元器件的生产和使用都有重要的意义.如图所列。

元器件的失效可能发生在其生命周期的各个阶段.发生在产品研制阶段，生产阶段到使用阶段的各个环节，通过分析工艺废次品，早期失效，实验失效及现场失效的失效产品明确失效模式、分折失效机理，最终找出失效原因，因此元器件的使用方在元器件的选择、整机计划等方面，元器件生产方在产品的可靠性方案设计过程，都必须参考失效分折的结果。通过失效分折，可鉴别失效模式，弄清失效机理，提出改进措施，并反馈到使用、生产中，将提高元器件和设备的可靠性。

2.失效分析的基本内容

对电子元器件失效机理，原因的诊断过程叫失效分析。进行失效分析往往需要进行电测量并采用先进的物理、冶金及化学的分析手段。失效分析的任务是确定失效模式和失效机理.提出纠正措 施，防止这种失效模式和失效机理的重复出现。因此，失效分析的主要内容包括：明确分析对象。确定失效模式，判断失效原因，研究失效机理，提出预防措施（包括设计改进)。

2.1 明确分析对象

失效分析首先是要明确分析对象及失效发生的背景。失效分析人员应该了解失效发生时的状况.确定在设计，生产，检测，储存，传送或使用哪个阶段发生的失效，如有可能，要知道失效发生时的现象以及失效发生前后的操作过程。在条件许可的情况下.尽可能的复现失效。

2.2 确定失效模式

失效的表面现象或失效的表现形式就是失效模式。失效模式的确定通赏采用两种方法，即电学测试和显微镜现察。根据测试、观察到的现象与效应进行初步分析，确定出现这些现象的可能原因，或者与失效样品的哪一部分有关；同时通过立体显微镜检查，观察失效样品的外观标志是否完整，是否存在机械损伤，是否有腐蚀痕迹等；通过电特性试，判断其电参数是否与原始数据相符.分析失效现象可能与失效样品中的哪一部分有关；利用金相显微镜和扫描电子显微镜等设备观察失效部位的形状，大小，位置，颜色，机械和物理结构，物理特性等，准确的描述失效特征模式。

失效模式可以定位到电（如直流特性、漏电）或物理（如裂纹、侵蚀）失效特征，根据失效发生时的条件（如老化、静电放电、环境），结合先验知识，区分失效位置.减少诊断失效机理要求的工作量。

2.3 判断失效原因

根据失效模式，失效元器件的材料性质、制造工艺理论和经验，结合观察到的相应失效部位的形状、大小、位置、颜色以及化学组成、物理结构、物理特性等因素，参照失效发生的阶段、失效发生时的应力条件和环境条件，提出可能的导致失效的原因。失效可能由一系列的原因造成，如设计缺陷，材料质量问题，制造过程问题、运输或储藏条件不当，在操作时的过载等，而大多数的失效包括一系列串行发生的事件。对一个复杂的失效，需要根据失效元器件和失效模式列出所有可能导致失效的原因，确定正确的分析次序，并且指出哪里需要附加的数据来支撑某个潜在性因素。失效分析时根据不同的可能性，逐个分折，最终发现问题的根源。

2.4 研究失效机理

对于失效机理的研究是非常重要的，需要更多的技术支撑。

在确定失效机理时，需要选用有关的分析、试验和观测设备对失效样品进行仔细分析，验证失效原因的判断是否属实，并且能把整个失效的顺序与原始的症状对照起來，有时需要用合格的同种元器件进行类似的破坏实验，观察是否产生相似的失效现象。通过反复验证，确定真实的失效原因，以电子元器件失效机理的相关理论为指导。对失效模式、失效原因进行理论推理，并结合材枓性质、有关设 计和工艺理论及经验，提出在可能的失效条件下导致该失效模式产生的内在原因或具体物理化学过程。如存可能, 更应以分子、原了学观点加以阐明或解释。

2.5提出预防措施及设计改进方法

根据分析判断。提出消除产生失效的办法和建议，及时地反馈到设计、工艺、使用单位等各个方面，以便控制乃至完全消除失效的主要失效模式的出现。失效分析要求

随着科技水平的发展和工艺的进歩.电子产品越来越微型化、复杂化和系统化，而其功能却越来越强大，集成度越来越高，体积越来越小。随着科技的发展各种新材料、新器件也不断出现，对失效分析的要求也越来越高；用于失效分析的新技术，新方法和新设备也越来越多。但在实际的失效分析过程中，遇到的样品多种多样，失效情况也各不相同。因此，根据失效分析的目的与实际，选择合适的分析技术与方法，从大到小，从外到内，从非破坏到破坏，从定性到定量，使失效分析迅速、准确、可靠。

电子元器件失效分析的就是要做到模式准确、原因明确、机理清楚、措施得力、模拟再现、举一反三。

3.1 模式准确

如前所述，失效模式是指失效的外在直观失效表现形式和过程规律，通常指测试或观察到的失效现象、失效形式。如开路、短路、参数漂移、功能失效等。模式准确，就是要将失效的性质和类型判断准确。

失效模式的判断应首先从失效环境的分析入手，细心收集失效现场数据。失效现场数据反映了失效的外部环境，对确定失效的责任方有重要意义。有些看来与现场无直接关系的东西可能是决定性的。例如,失效现场数据表明，工作人操作无误，供电系统正常，而整机上的器件出现了早期失效，说明元器件生产厂应对元器件失效负责，应负责整改，排除工艺缺陷，提高产品可靠性。

收集失效现场数据主要包括：失效坏境、失效应力、失效发生期、失效现象及过程和失效样品在失效前后的电测量结果。

失效环境包括：温度、湿度、电源环境，元器件在电路图上的位置、作用，工作条件和偏置状况。失效应力包括：电应力、温度应力、机械应力、气候应力和辐射应力。如样品经可靠性试验而失效，需了解样品经受实验的应力种类和时间

失效发生期包括：失效样品的经历、失效时间、失效发生的阶段，如研制、生产、测试、试验、储存、使用等。

3.2

原因明确

失效原因的判断通常是整个失效分析的核心和关键，对于确'定失效机理，提出预防措施具有总要的意义。

失效原因通常是指造成电子元器件失效的直接关键性因素，其判断建立在失效模式判断的基础上。通过失效原因的分析判断，确定造成失效的直接关键因素处于设汁、材料、制造工艺、使用及环境的哪―环节。

失效现场数据为确定电子元器件的失效原因提供了重要线索。失效可分为早期失效、随机尖效和磨损失效。而早期失效主要由工艺缺陷、原材料缺陷、筛选不充分引起。随机失效主要由整机开关时的浪涌电流、静电放电、过电损伤引起。磨损失效主要由电子元器件自然老化引起。根据失效发生期，可估计失效原因，加快失效分析的进度。此外，根据元器件失效前或失效时所受的应力种类和强度，也可大致推测失效的原因，加快失效分析的进程。如表：

然而失效原因的确定是相当复杂的,其复杂性表现为失效原因具有的一些特点。如原因的必要性、多样性、相关性、可变性和偶然性，需要综合多方面情况及元器件特点进行。

3.3 机理清楚

失效机理是指失效的物理、化学变化过程。微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结构的变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏现（外在的）性能，性质变化，如疲劳、腐蚀和过应力等。失效机理是对失效的内在本质、必然性和规律性的研究，是人们对失效内在本质认识的理论提高和升华。

失效原因通常可以分为内因和外因两种.失效机理就是失效的内因。它是导致电子元器件发生失效的物理、化字或机械损伤过程。失效机理研是失效的深层次内因或内在本质.即酿成失效的必然性和规律性的研究。要清楚地判断元器件失效机理就必须对其失效机理有所了解和掌握。如在集成电路中金属化互连系统可能存在着电迁移和应力迁移失效，这两种失效的物理机制是不同的，产生的应力条件也是不同的。对于失效机理的研究和判断需要可靠性物理方面的专业知识。

3.4 措施得力，模拟再现，举一反三

措施得力，模拟再现，举一反三是建立在前面对失效模式、失效原因和失效机理深入分折和准确把握的基础上。当然制定预防措施也应考虑长远的手段和产品使用问题。以及工程上的可行性、经济性等方面。模拟再现则要分折模拟的可能性和必要性，同时，随着计算机技术的高速发展，计算机模拟仿真也成为模拟再现的一个重要手段。

失效分析是一个复杂的、综合性的过程.它不仅仅只是失效分析工程师的工作.而且需要设计工程师、制造工程师、使用工程师的密切配合。只有在各个方面的团结协作下，才能找到产品失效的真实原因，准确判断其失效机理，揭示引起产品失效的过程，起到改进产品设计，提高产品固有可靠性和使用可靠性目的。

另外，为了得到一个成功的失效分析结果，避免犯一些常见的错误，所有可能涉及失效现象处理的人，都应该具备—些处理故障现象的基本知识。

1.保护实物证据 2.避免过多的加电测试

3.保证失效元器件在到达失效分析工程师之前不再受到损伤 4.制定失效分析方案 5.确定失效现象 6.失效分析的基本

失效分析应遵循先光学后电学、先面后点、先静态后动态、先非破坏后破坏、先一般后特殊、先公用后专用、先简单后复杂、先主要后次要的基本原则，反复测试、认真比较。同时结合电子元器件结构、工艺特点进行分析，避免产生错判、误判。主要失效模式及其分布

电子元器件的种类很多，相应的失效模式和失效机理也很多。总体来说，电子元器件的失效主要是在产品的制造，试验，运输，储存和使用等过程中发生的。与原材料、设计、制造、使用密切相关。下图给出了一些电子元器件现场使用失效模式及其分布的数据统计结果：

5.失效的主要机理及其定义

失效机理是指引起电子元器件失效的实质原因，即引起电子元器件失效的物理或化学过程.通常是指由于设计上的弱点（容易变化和劣化的材料的组合）或制造工艺中形成的潜在缺陷，在某种应力作用下发生的失效及其机理。

为了通过物理、化学的方法分析失效发生的现象，理解和解释失效机理，需要提供模型或分析问题的思维方法，这就是失效物理模型。元器件的失效物理模型大致分为反应论模型、应力强度模型、界限模型、耐久模型、积累损伤（疲劳损伤）模型等.如下表所列。对于半导体元器件来说.失效机理通常有两种失效物理模型：反应论模型和应力强度模型。

失效机理是电子元器件失效的物理或化学本质，从研究原始缺陷或退化进入失效点的物理过程。进一步确定导致失效的表面缺陷、体缺陷、结构缺陷。确定电学、金属学、化学及电磁学方面的机理。电子元器件种类繁多，导致失效的机理也很多，不同失效机理对应的失效摸式不一样。甚至相问的失效机在不同电子元器件导致的失效模式都不一样，因此需要在失效分析时认真对待,严格区分。

5.1 机械损伤

机械损伤在电子元器件制备电极及电机系统工艺中经常出现，如果在元器件的成品中，存在金属膜的划伤缺陷而末被剔除，则划伤缺陷将是元器件失效的因素，必将影响元器件的长期可靠性。.2結穿刺（结尖峰）

结穿刺即指PN结界面处为一导电物所穿透。在硅上制作欧姆接触时，铝-硅接触系统为形成良好的欧姆接触必须进行热处理，这时铝与硅相连接是通过450-550摄氏度热处理后在分立的点上合金化形 成的。在该合金化温度范围内，硅在铝的固溶度很大，但铝在硅中的固溶度要低很多，固溶度之差导致界面上的硅原子净溶解在铝中，同时界面上的铝也扩散到硅中填充硅中的空位。这就是在铝膜加工过程中，发生由于硅的局部溶解而产生的铝“穿刺”透入硅衬底问题的问题。结穿刺经常导致PN结短路失效。

5.3 铝金属化再结构

由于铝与二氧化硅或硅的热膨胀系数不匹配，铝膜的热膨胀系数比二氧化硅或者硅大，党元器件在间歇工作过程中，温度变化或者高低温循环试验时，铝膜要受到张应力和压应力的影响，会导致铝金属化层的再结构。铝金属化层再结构经常表现为铝金属化层表面粗糙甚至表面发黑，显微镜下可见到表面小丘、晶须或皱纹等。

5.4 金属化电迁移

当元器件工作时，金属互连线的铝条内有一定强度的电流流过，在电流作用下，金属离子沿导体移动，产生质量的传输，导致导体内某些部位产生空洞或晶须（小丘）这就是电迁移现象。在一定温度下，金属薄膜中存在一定的空位浓度，金属离子热振动下激发到相邻的空位，形成自扩散。在外电场作用下.金属离子受到两种力的作用，一种是电场使金属离子由正极向负扱移动，一种是导电电子和金属离子间互相碰撞发生动量交换而使金属离子受到与电子流方向一致的作用力，金属离子由负极向正极移动，这种作用力俗称“电子风”。对铝、金等金属膜，电场力很小，金属离子主要受电子风的影响，结果使金属离子与电子流一样朝正极移动，在正极端形成金属离子的堆积，形成晶须，而在负极端产生空洞，使金属条断开。

产生电迁移失效的内因是薄膜导体内结构的非均匀性，外因是电流密度。

5.5 表面离子沾污

在电子元器件的制造和使用过程中，因芯片表面沾污了湿气和导电物质或由于辐射电离、静电电荷积累等因素的影响，将会在二氧化硅氧化层表面产生正离子和负离子，这些离子在偏压作用下能沿表面移动。正离子聚积在负电极周围，负离子聚积在正电极周围，沾污严重时足以使硅表面势垒发生相'当程度的改变。这些外表面可动电荷的积累降低了表面电导，引起表面漏电和击穿蠕变等；表面离子沾污还会造成金属的腐浊，使电子元器件的电极和封装系统生锈、断裂。

5.6 金属的腐蚀

当金属与周围的介质接触时，由于发生化学反应或电化学作用而引起金属的破坏叫做金属的腐蚀。在电子元器件中，外引线及封装壳内的金属因化学反应或电化学作用引起电性能恶化直至失效，也是主要的失效机理。

根据金属腐蚀过程的不同特点，可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。金属在干燥气体或无导电性的非水溶液中，单纯由化学作用而引起的腐蚀就叫做化学腐蚀，温度对化学腐蚀的影响很大。当金属与电解质溶液接触时，由电化学作用而引起的腐蚀叫做电化学腐蚀，其特点是形成腐蚀电池，电化学腐蚀过程的本质是腐蚀电池放电的过程，在这个过程中，金属通常作为阳极，被氧化而腐蚀，形成金属氧化物，而阴极反应则跟据腐蚀类型而异，可发生氢离子或氧气的还原，析出氢气或吸附氧气。

5.7 金铝化合物失效

金和铝两种金属，在长期储存和使用后，因它们的化学势不同，它们之间能产生金属间化合物，如生成AuAl2，AuAl，Au2Al等金属间化合物。这几种金属间化合物的晶格常数、膨胀系数、形成过程中体积的变化、颜色和物理性质是不同的，且电导率较低。AuAl3浅金黄色，AuAl2呈紫色，俗称紫斑，Au2Al呈白色.称白斑，是一种脆性的金属间化合物，导电率低，所以在键合点处生成了Au-Al间化合物之后，严重影响相恶化键合界面状态，使键合强度降低，变脆开裂，接触电阻增大等，因而使元器件出现时好时坏不稳定现象，最后表现为性能退化或引线从键合界面处脱落导致开路。

5.8 柯肯德尔效应

在Au-Al键合系统中，若采用金丝热压焊工艺，由于在高温（300摄氏度以上）下，金向铝中迅速扩散。金的扩散速度大于铝的扩散速度，结果出现了在金层—侧留下部分原子空隙，这些原子空隙自发聚积，在金属间化合物与金属交界面上形成了空洞，这就是可肯德尔效应，简称柯氏效应。当可肯德尔空洞增大到一定程度后，将使键合界面强度急剧下降，接触电阻增大，最终导致开路。柯氏空洞形成条件首先是Au-Al系统，其次是温度和时间。

5.9 银迁移

在电子元器件的贮存及使用中，由于存在湿气、水分，导致其中相对活泼的金属银离子发生迁移，导致电子设备中出现短路，耐压劣化及绝缘性能变坏等失效。银迁移基本上市一种电化学现象，当具备水分和电压的条件时，必定会发生银迁移现象。空气中的水分附在电极的表面，如果加上电压，银就会在阳极处氧化成为带有正电荷的银离子，这些离子在电场作用下向阴极移动。在银离子穿过介质的途中，银离子被存在的湿气和离子沾污加速，通常在离子和水中的氢氧离子间发生化学反应，形成氢氧化银，在导体之间出现乳白色的污迹，最后在阴极银离子还原析出，形成指向阳极的细丝。

5.10 过电应力

电子元器件都在其参数指标中设定了使用时所能承受的最大应力，包括最高工作环境温度或壳温，最大额定功率，最大工作电压、电流，峰值电压，最大输入、输出电流、电压等。如果在使用时所加的电应力超过了元器件规定的最大应力.即使是瞬间超过，也将造成电子元器件的损伤，这种电应力就称为过电应力，其造成的损伤主要表现为元器件性能严重劣化或失去功能。过电应力通常分为过压应力和 过流应力。在过电应力作用下，电子元器件局部形成热点，当局部热点温度达到材料熔点时使材料熔化，形成开路或短路，导致元器件烧毁。

5.11 二次击穿

二次击穿是指当元器件被偏置在某一特殊工作点时（对于双极型晶体管，是指V平面上的一点），电压突然跌落，电流突然上升的物理现象，这时若无限流装置及其它保护措施，元器件将被烧毁。凡是有杂质浓度突变的元器件（如PN结等）都具有二次击穿的现象，二次击穿是一种体内现象，对于双极型器件，主要有热不稳定理论（热模式）和雪崩注入理论（电流模式）两种导致二次击穿的机理。对于MOS元器件，诱发二次击穿的机理是寄生的双极晶体管作用。

5.12 闩锁效应

闩锁效应是CMOS电路中存在的一种特殊的失效机理。所谓闩锁（latch-up）是指CMOS电路中固有的寄生可控硅结构被触发导通，在电源和地之间形成低阻大电流通路的现象CMOS电路的基本逻辑单元是由一个P沟道MOS场效应管和一个N沟道MOS场效应管以互补形式连接构成，为了实现N沟道MOS管与P沟道MOS管的隔离,必须在N型衬底内加进一个P型区（P阱）或在P型衬底内加进一个N型区（N阱），这样构成了CMOS电路内与晶闸管类似的PNPN四层结构，形成了两个寄生的NPN和PNP双极晶体管。在CMOS电路正常工作状态时，寄生晶体管处于截止状态。对CMOS电路的工作没有影响，如CMOS电路的输入端、输出瑞、电源端或者地端受到外来的浪涌电压或电流，就有可能使两只寄生晶体管都正向导通，使得电源和地之间出现强电流。这种强电流一开始流动，即使除去外来触发信号也不会中断，只有关断电源或将电源电压降到某个值以下才能解除，这种现象就是CMOS电路的闩锁效应。

5.13 静电损伤

处于不同静电电位的两个物体间发生的静电电荷转移就形成了静电放电，这种静电放电将给电子元器件带来损伤，引起产品失效。电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种模式，突发性失效是指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移；潜在性失效是指静电放电电能量较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后元器件的电参数仍然合格或略有变化，但元器件的抗过电应力能力已明显削弱，或者使用寿命已明显缩短，再受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效。

静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。过电压场致失效是指高阻抗的静电放电回路中，绝缘介质两端的电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场，使电极之间的介质发生击穿失效，过电压场致失效多发生于MOS元器件，包括含有MOS电容的双极型电路和混合电路；过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中，由于静电放电电流过大使局部区域温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失效，过电流热致失效多发生于双极元器件，包括输人用PN结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极元器件的混合电路。

5.14 介质的击穿机理

介质击穿，从应用角度可分为自愈式击穿和毁坏性击穿。自愈式击穿是局部点击穿后，所产生的热量将击穿点处的金属蒸发掉，使击穿点自行与其他完好的介质隔离；毁坏性击穿是金属原子彻底侵入介质层，使其绝缘作用完全丧失。根据引起击穿的原因之可将介质击穿分为非本征击穿和本征击穿两种：前者是在介质中的气孔、微裂缝、灰尘、纤维丝等疵点附近，因气体放电、等离子体、电孤、电热分解等引起的击穿；后者是外加电场超过了介质材料的介电强度引起的击穿。无论是非本征击穿还圮本征击穿，按其本质来看，则均可能归结于电击穿、热击穿或热点反馈造成的热电击穿。

5.15 与时间有关的介质击穿（TDDB)TDDB是影响MOS元器件长期可靠性的一种重要的失效机理，当对二氧化硅薄膜施加低于本征击穿场强的电场强度后，经过一段时间后会发生介质击穿现象，这就是与时间有关的介质击穿。它的击穿机理，可以分为两个阶段：第一阶段是建立阶段，在高电场、高电流密度应力的作用下，氧化层内部发生电荷的积聚，积累的电荷达到某一程度后，使局部电场增高到某一临界值；第二阶段实在热或电的正反馈作用下，迅速使氧化层击穿，氧化层的寿命由第一阶段中电荷的累计时间确定。

5.16 热栽流子效应

所谓热载流子，是指其能量比费米能寄大几个KT以上的载流子，这些载流子与晶格处于热不平衡状态，载流子的温度超过了晶格温度。热载流子的能量达到或超过Si-SiO2界面势垒的能量时，便会注入到SiO2中去，产生界面态、氧化层陷阱或被氧化层中陷阱所俘获，由此产生的电荷积累引起元器件电参数不稳定。表现为MOS元器件的阈值电压漂移或跨导值降低，双极元器件的电流增益下降，PN结击穿电压蠕变，使元器件性能受到影响，这就是热载流子效应。

5.17“爆米花效应”

“爆米花效应”是指塑封元器件塑封材料内的水汽在高温下受热膨胀，是塑封料与金属框架和芯片间发生分层效应，拉断键合丝，从而发生开路失效。塑封元器件是以树脂类聚合物材料封装的，其中的水汽包括封装时残留于元器件内部、表面吸附，经材料间的缝隙渗入及外界通过塑料本身扩散进入。

5.18软误差

电子元器件的封装材料（如陶瓷管壳，作树脂填充剂的石英粉等）中含有微量元素铀等放射性物质，它们衰变时会放出高能射线。当这些射线或宇宙射线照射到半导体存储器上时，引起存储数据位的丢失或变化，在下次写入时存储器又能正常工作，它完全是随机的发生，随意把这种数据位丢失叫软误差。引起软误差的根本原因是射线的电离效应。