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各類材料失效分析方法 日期:2019.04.23

 失效分析是一門發展中的新興學科,近年開始從軍工向普通企業普及,它一般根據失效模式和現象,通過分析和驗證,模擬重現失效的現象,找出失效的原因,挖掘出失效的機理的活動。在提高產品質量,技術開發、改進,產品修複及仲裁失效事故等方麵具有很強的實際意義。

  失效分析流程

圖1  失效分析流程

  各種材料失效分析檢測方法

   1 PCB/PCBA失效分析

  PCB作為各種元器件的載體與電路信號傳輸的樞紐已經成為電子信息產品的最為重要而關鍵的部分,其質量的好壞與可靠性水平決定了整機設備的質量與可靠性。

圖2 PCB/PCBA

失效模爆板、分層、短路、起泡,焊接不良,腐蝕遷移等。

常用手段· 

無損檢測:

外觀檢查,X射線透視檢測,三維CT檢測,C-SAM檢測,紅外熱成像

表麵元素分析:

掃描電鏡及能譜分析(SEM/EDS)

顯微紅外分析(FTIR)

俄歇電子能譜分析(AES)

X射線光電子能譜分析(XPS)

二次離子質譜分析(TOF-SIMS)· 

熱分析:· 

差示掃描量熱法(DSC)

熱機械分析(TMA)

熱重分析(TGA)

動態熱機械分析(DMA)

導熱係數(穩態熱流法、激光散射法)

電性能測試: · 

擊穿電壓、耐電壓、介電常數、電遷移· 

破壞性能測試:

染色及滲透檢測

 2 電子元器件失效分析

電子元器件技術的快速發展和可靠性的提高奠定了現代電子裝備的基礎,元器件可靠性工作的根本任務是提高元器件的可靠性。

圖3 電子元器件

失效模式

開路,短路,漏電,功能失效,電參數漂移,非穩定失效等

常用手段· 

電測:連接性測試  電參數測試 功能測試 

無損檢測:

開封技術(機械開封、化學開封、激光開封)

去鈍化層技術(化學腐蝕去鈍化層、等離子腐蝕去鈍化層、機械研磨去鈍化層)

微區分析技術(FIB、CP)

製樣技術:

開封技術(機械開封、化學開封、激光開封)

去鈍化層技術(化學腐蝕去鈍化層、等離子腐蝕去鈍化層、機械研磨去鈍化層)

微區分析技術(FIB、CP)

顯微形貌分析:

光學顯微分析技術

掃描電子顯微鏡二次電子像技術

表麵元素分析:

掃描電鏡及能譜分析(SEM/EDS)

俄歇電子能譜分析(AES)

X射線光電子能譜分析(XPS)

二次離子質譜分析(SIMS)

無損分析技術:

X射線透視技術

三維透視技術

反射式掃描聲學顯微技術(C-SAM)

 3 金屬材料失效分析

隨著社會的進步和科技的發展,金屬製品在工業、農業、科技以及人們的生活各個領域的運用越來越廣泛,因此金屬材料的質量應更加值得關注。

圖4  船用柴油機曲軸齒輪

失效模式

設計不當,材料缺陷,鑄造缺陷,焊接缺陷,熱處理缺陷

常用手段

金屬材料微觀組織分析:

 金相分析

 X射線相結構分析

 表麵殘餘應力分析

 金屬材料晶粒度· 

成分分析:直讀光譜儀、X射線光電子能譜儀(XPS)、俄歇電子能譜儀(AES)等

物相分析:X射線衍射儀(XRD)

殘餘應力分析:x光應力測定儀

機械性能分析:萬能試驗機、衝擊試驗機、硬度試驗機等

圖5  拉伸試驗材料斷裂麵掃描電鏡圖像

 4 高分子材料失效分析

高分子材料技術總的發展趨勢是高性能化、高功能化、複合化、智能化和綠色化。因為技術的全新要求和產品的高要求化,而需要通過失效分析手段查找其失效的根本原因及機理,來提高產品質量、工藝改進及責任仲裁等方麵。

圖6  免噴塗塑料

失效模式:

斷裂,開裂,分層,腐蝕,起泡,塗層脫落,變色,磨損失效

常用手段:

成分分析:

傅裏葉紅外光譜儀(FTIR)

顯微共焦拉曼光譜儀(Raman) 

掃描電鏡及能譜分析(SEM/EDS)

X射線熒光光譜分析(XRF)

氣相色譜-質譜聯用儀(GC-MS) 

裂解氣相色譜-質譜聯用(PGC-MS) 

核磁共振分析(NMR) 

俄歇電子能譜分析(AES) 

X射線光電子能譜分析(XPS) 

X射線衍射儀(XRD)

飛行時間二次離子質譜分析(TOF-SIMS)

熱分析:

差示掃描量熱法(DSC)

熱機械分析(TMA)

熱重分析(TGA)

動態熱機械分析(DMA)

導熱係數(穩態熱流法、激光散射法)· 

裂解分析:

裂解氣相色譜-質譜法

凝膠滲透色譜分析(GPC)

熔融指數測試(MFR)

斷口分析:

掃描電子顯微鏡(SEM),X射線能譜儀(EDS)等

物理性能分析:

硬度計,拉伸試驗機, 萬能試驗機等

圖7 安捷倫裂解氣相色譜質譜聯用儀

 

(5)複合材料失效分析

複合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料組合而成。具有比強度高,優良的韌性,良好的環境抗力等優點,因此在實際生產中得以廣泛應用。

失效模式

斷裂,變色失效,腐蝕,機械性能不足等

常用手段· 

無損檢測:· 

射線檢測技術( X 射線、γ 射線、中子射線等),工業CT,康普頓背散射成像(CST)技術,超聲檢測技術(穿透法、脈衝反射法、串列法),紅外熱波檢測技術,聲發射檢測技術,渦流檢測技術,微波檢測技術,激光全息檢驗法等。

圖8 工業CT檢測係統

成分分析:

X射線熒光光譜分析(XRF)等,參見高分子材料失效分析中成分分析。

熱分析:

重分析法(TG)、差示掃描量熱法(DSC)、靜態熱機械分析法(TMA)、動態熱機械分析(DMTA)、動態介電分析(DETA)

破壞性實驗:

切片分析(金相切片、聚焦離子束(FIB)製樣、離子研磨(CP)製樣)

(6)塗層/鍍層失效分析

 圖9  左IC分層失效 、右塗層樣品界麵點腐蝕失效

失效模式

分層,開裂,腐蝕,起泡,塗/鍍層脫落,變色失效等

常用手段

成分分析:

參見高分子材料失效分析

熱分析:

參見高分子材料失效分析

斷口分析:

體式顯微鏡(OM)

掃描電鏡分析(SEM)

物理性能:

拉伸強度、彎曲強度等

模擬試驗(必要時)

在同樣工況下進行試驗,或者在模擬工況下進行試驗。

 

分析結果提交

 

1) 提出失效性質、失效原因

2) 提出預防措施(建議)

3) 提交失效分析報告

總結:失效分析是經驗和科學的結合,失效分析工程師就如醫生,工藝設計之初要有預防對策;產品生產後,進行體檢,找出其中的隱患,給出預防辦法去防止;失效發生後通過各種手段查找病因:驗血,照X光,做B超等,根據檢驗的數據進行分析是什麽症狀並對症下藥,給出補救辦法。

目前國內這方麵做得比較欠缺,設計、生產、失效,各幹各的。實際上,失效分析應該參與到產品的設計工作,這樣才能從根本上避免產品失效。

 

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