可靠性失效分析

一、概述

可靠性失效分析是针对产品或系统在预期寿命内无法满足性能要求的问题，通过系统性检测与数据分析，识别失效模式、确定失效机理、预防再发生的技术活动。其核心目标在于通过失效案例的根因分析，优化设计、材料、工艺及使用条件，最终提升产品全生命周期的可靠性。失效模式包括机械疲劳、电气故障、环境腐蚀、材料老化等，涉及多学科交叉（如力学、化学、电子工程）。

二、测试目的

1. 明确失效机理：区分失效是设计缺陷（如应力集中）、材料问题（如蠕变、腐蚀）、工艺瑕疵（如焊接空洞），还是使用条件超限（如过载、环境侵蚀）导致。
2. 评估可靠性指标：验证产品是否满足MTBF（平均无故障时间）、失效率、耐久性等设计要求。
3. 指导改进方向：为设计优化（如减少应力集中）、材料升级（如耐腐蚀合金）、工艺改进（如改进焊接参数）提供数据支持。
4. 预防批量事故：通过失效模式库建设，建立预警机制，降低售后维修成本与品牌风险。

三、适用范围

可靠性失效分析广泛应用于以下领域：

• 电子产品：芯片焊点疲劳、PCB板分层、电容器漏液、连接器接触不良。
• 汽车工业：发动机部件磨损、电池包热失控、电子控制单元（ECU）软件崩溃。
• 航空航天：涡轮叶片蠕变、复合材料脱层、电子器件辐射损伤。
• 新能源领域：光伏组件隐裂、风电齿轮箱轴承点蚀、储能电池循环衰减。
• 医疗器械：植入物腐蚀、手术器械疲劳断裂、电子监护设备电磁干扰。

四、测试方法

（一）物理与化学分析

1. 显微观察
   • 光学显微镜（OM）：初步观察失效表面形貌，判断断裂类型（韧性断裂或脆性断裂）。
   • 扫描电子显微镜（SEM）：高分辨率成像，分析断裂面微观特征（如疲劳辉纹、解理台阶），结合能谱仪（EDS）检测元素异常（如氧化、污染）。
   • X射线计算机断层扫描（CT）：无损检测内部缺陷（如焊接空洞、裂纹扩展路径）。
2. 光谱与能谱分析
   • 红外光谱（FTIR）：检测材料化学键合变化，识别氧化、水解等降解产物。
   • X射线光电子能谱（XPS）：分析表面化学组成，确定界面污染（如油脂、氧化物）或钝化层失效。
   • 二次离子质谱（SIMS）：深度剖析材料成分分布，识别扩散或污染层。

（二）力学与疲劳测试

1. 静态力学试验
   • 拉伸试验：按GB/T 228.1-2021测定抗拉强度与延伸率，评估材料基体强度。
   • 压缩试验：量化材料在压缩载荷下的屈服与失稳行为。
   • 硬度测试：维氏硬度（HV）、洛氏硬度（HR）评估材料局部变形能力。
2. 动态与疲劳测试
   • 高周疲劳试验：按ASTM E466标准测定材料在交变载荷下的疲劳极限。
   • 低周疲劳试验：模拟塑性应变主导的失效（如涡轮叶片热机械疲劳）。
   • 裂纹扩展速率测试：按GB/T 6398-2017量化裂纹扩展速率，评估材料断裂韧性。

（三）环境模拟与加速老化

1. 温度冲击试验：按IEC 60068-2-14标准进行-40℃~125℃循环，评估热应力导致的开裂或脱层。
2. 湿热老化试验：模拟高温高湿环境（如85℃/85%RH），检测吸湿导致的膨胀、腐蚀或绝缘性能下降。
3. 盐雾腐蚀试验：按GB/T 10125-2021评估金属部件在氯化钠环境中的腐蚀速率。
4. 紫外线老化试验：按ASTM G154标准模拟阳光辐射，检测高分子材料的光降解与变色。

（四）电气与电磁测试

1. 绝缘电阻测试：按GB/T 2423.16-2022检测材料在湿热环境下的绝缘性能衰减。
2. 电磁兼容（EMC）测试：按CISPR 11标准评估设备在电磁干扰下的工作稳定性。
3. 静电放电（ESD）测试：模拟人体或设备静电对电子器件的损伤阈值。

（五）典型案例分析

1. 电子产品焊点失效
   • 现象：手机主板焊点在热循环后开裂。
   • 分析：通过SEM观察疲劳辉纹，CT扫描焊接空洞，结合有限元分析热应力分布。
   • 结论：优化焊盘设计，改用高铅焊料（如SnPb37）提升抗热疲劳性能。
2. 汽车电池包热失控
   • 现象：锂电池因内部短路引发燃烧。
   • 分析：通过FTIR检测电解液分解产物，X射线衍射（XRD）分析正极材料相变，结合ARC（加速量热仪）测试热滥用响应。
   • 结论：改进隔膜耐热性，增加过充保护功能。
3. 航空航天复合材料脱层
   • 现象：机翼蒙皮在飞行振动中脱层。
   • 分析：通过超声波C扫描检测层间缺陷，DMA测定基体树脂玻璃化转变温度，结合疲劳试验验证层间剪切强度衰减。
   • 结论：优化铺层角度，改用韧性更好的环氧树脂体系。

五、常用标准组分

（一）国家标准

1. GB/T 2423.1-2008《电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温》：规定低温存储与工作试验程序。
2. GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》：规范金属材料拉伸性能测试流程。

（二）行业标准

1. GJB 150.16A-2009《军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验》：定义军用设备振动与冲击测试要求。
2. QC/T 413-2009《汽车电气设备基本技术条件》：明确汽车电子部件的耐环境性能指标。

（三）国际标准

1. IEC 60068-2-1:2007《环境试验 第2-1部分：试验 试验A：寒冷》：定义低温存储与工作试验程序。
2. ASTM E8/E8M-23《金属材料拉伸试验标准试验方法》：通用金属材料拉伸性能测试的经典标准。
3. MIL-STD-810G《环境工程考虑和实验室试验》：涵盖温度、湿度、振动、冲击等全环境谱系测试要求。