电子组装产品的失效分析

电子组装产品的失效分析
电子组装产品的失效分析
这是你在电子组装产品失效分析之前、之中和之后所需要知道的知识

参加过关于失效情况讨论的人都知道，一个客观的、 独立的失效分析的价值是多么重要。 失效可能由一系列的原因造成：设计的缺陷、不好的材料质量、制造问题、运输或储藏条件不当、在操作时的过荷等。大多数公司 缺乏深入调查的设备，而这往往是解决某些问题所需要的。没有对失效进行正确分析，采取纠正措施的努力可能是无用的，或者产生事与愿违的结果。
　　失效分析实验室通常比一个高级的测试中心具备更多的专门仪器和专门知识，以便发现失效的问题根源及其产生的事件链。在调查的时候，分析专家将会决定进行哪种测试，以及按什么顺序把调查引向迅速的、经济的结论。分析专家也将会根据失效在产品周期中发生的部位以及不同阶段的优先权，推荐适当的纠正措施。如果用户需要具备这些能力,就值得去聘请一位专业的失效分析人员来工作。
　　值得注意的是，有时甚至一项很有限的失效分析也是非常值得的，比如当迫切需要消除某个潜在的因素时。举例来说，及时知道某个失效不是由静电破坏引起，就可以避免在纠错行动上浪费大量的金钱。
在失效发生之前应该知道的事
　　想得到一个成功的分析结果，在失效分析专家到达现场之前就应该作好准备工作。为了避免犯最常见的错误，所有可能涉及失效情况处理的人，都要具备下列各项预防知识。
　　保护实物证据。 如果不知道某样东西为什么会坏掉,就放在那里别动它。在制造业环境中，把一个断的焊点重新焊上或更换一个失效的元件也许是正常的，但它对失效分析家而言是灾难。因为它可能意味着破坏了一个重要问题的证据, 当然，并不是希望人们碰到每个偶发事件就停止制造，并把失效分析专家叫来；但是如果确实存在一种失效的趋势,那么，最坏的做法就是不断地修复出故障的部件，并继续向后道工序发货。
　　不要试图把破碎的表面拼接起来。 如果某些东西碎成两半，人们会自然而然地试着去把两者拼在一起。在微观的水平上,两个表面的磨滑和啮合会破坏有价值的证据。如果能向失效分析专家提供一个干净而保护完好的破碎表面,他几乎总能找出损坏的原因，并且帮助决定上星期发出的部件是否需要追回。
　　避免过多的加电测试。不要继续不断地试验一个时断时通的零件，这样做会导致线路完全断开。一旦弄毁了失效现场, 分析专家可以得到的唯一结论就是有人曾对该线路加电次数太多太强。
　　保护材料免受热、湿气、震动、ESD 和其他的外力。 要使用推荐的保护性包装和容器。
　　从失效中收集所有存在的数据。 有些看来与在现场的人无关的东西可能是决定性的。 记住宁可收集了过多的数据而不要收集得过少。并且要确保用记录、照相或至少文档方式，记录曾用过的测试组合。
　　别忽视人们的直觉。记下那些不寻常的声音、气味和看到的现象。如有可能,要直接与那些首先看到失效的人员进行交流，他们常常会提供有价值的、与未实际在场的人不同的说法。
实物分析
　　如果证据保护得比较好,借助于在传统的测试中心中所没有的特殊的仪器的帮助,失效分析人员就能对从失效现场得到的数据中梳理出很多信息。举例来说，在 Raytheon可靠性分析实验室的电子显微镜放大倍数可达到 200,000倍。 除了知道该如何正确的解释测试结果外，分析专家将会了解哪些测试是真正必需的，哪些是不必要的，从而对影响失效的所有的因素获得一个更全面清楚的认识。
　　失效分析调查由对可疑元件的外部检验开始。 根据器件的类型和特殊要求,分析人员可以使用多种技术:包括热阻测试、放射型显微镜、密封性测试、超声扫描或红外成像。然后，分析人员对内部进行调查，失效分析专家有一个特技：即在不破坏决定性证据的条件下把东西拆开的能力。
　　解剖精细的元件与其说是科学，不如说是一种手艺。举例来说，取断面不单单是把一个物体切片成两半。这个元件要先被浇铸在环氧基树脂中保护起来,然后经过研磨和抛光形成一个光滑的断面，以便在显微镜下检查。如果分析家正在调查金属之间的分离, 那么一个电子显微镜加上一个X光发射分光计，就能完全地显示出原子的种类，从而识别出分离发生在哪里。这个数据对那些逐层进行金属化的工艺人员是很重要的。
区分主要的和次要的失效因素
　　大多数的失效包括一系列串行发生的事件。 失效分析专家根据实物特征来确定正确的次序时，常常需要创建一棵失效树(图 1)，以帮助指导调查。(一个复杂的失效必须用这个方法来解决。) 图上各分枝列出了所有的可能产生失效的原因，而且指出哪里需要附加的数据来支援或驳倒某个潜在性因素。分析人员将根据不同的可能性，沿图上的各个分枝向下分析调查。最后，分析专家不但可以发现问题根源 ,而且能把整个失效的顺序与原始的症状对照起来。


图1. 样品故障分析树形图。
在追踪事件的发生顺序时，失效分析人员可能会发现早先的调查中忽视了的细微线索。最近有一位客户来找RAL，想弄清为什么他们的电力控制器器件失效率会这么高。此前， 客户已经把器件送回给制造商检验, 制造商已经确定失效是由于电的过荷引起，这属于系统的缺陷和客户的职责。客户测量了电压并且发现的确存在着电压尖峰, 实际上在马达驱动控制器中这是很普通的事。他们修改了设计以减少电压尖峰，而且失效率确实在一段时间内减少了。
　　然而，不久失效率再一次迅速增加，此时客户与RAL联系。 RAL使用失效树进行分析以保证每个可能的失效模态都被考虑到,不只是电的过荷。事实证明，这个部件是在装配期间已受到了机械损伤,使他们装配之后的处理和使用中容易受到影响而失效。上次设计修改后所带来的微小进步，是因为该部件所受到的电压已有改善，不再像过去那样厉害的缘故。
　　这个有问题的器件的制造过程中，需要把一个功率芯片装到一个散热片上。在装配的过程中，芯片上受到应力并产生微小的裂纹。随着上电和温度循环次数的增加，初始裂纹在芯片的易碎材料中传播。 在某些情况下，裂纹穿透到芯片的工作区域, 明显地减小晶体管的面积。裂纹的位置决定了这个部件在加上电压后是否会失效。
制造商以前错误解释了事件的顺序。 当功率器件失效的时候,裂纹已被根本烧毁了,留下一个坑以及熔化了的碎片。在受过强大的热应力的部件中出现裂纹本来是平常事，RAL断定裂纹先发生,才引起部件的烧毁，而不是像制造商所解释的热应力引起了裂纹。这些裂纹在芯片的封装内部不容易看发现。RAL用超声扫描显微镜,在还没有烧毁的部件中测出裂纹,从而证明了它的理论。最后RAL和制造商共同工作，修改了贴装部件的方式,减少了引起失效的弯曲应力。
调查人为问题的根源
　　在实际中，问题不是自己产生的，而是最终通过人的行动发生的。 检查人的因素超过狭义的技术分析的范围，它可能成为最有价值的步骤。是否在交流或监督方面有基本的障碍? 组织和人员是否因他们的工作好而受到了适当的激励? 操作员所受的训练是否适当? 有时候实物因素会转变为机构组织的问题。
　　失效分析专家的一部份作用是找到相关人员工作的最好方式，使得类似的问题不再发生。举例来说,假如问题是一个焊接点上的过热。最容易的办法就是告诉某某技术员，他对焊点加热太多，下次要小心。然而，一个更有价值的纠正行动可能是修订培训计划，让所有相关人员都注意到过热所引起的损害。
确定并实现纠正的行动
　　在明确地找到问题根源之后，分析专家将会提出纠正的措施。它可能包括改进制造工艺、采用有较高质量控制水平的供应商的部件、改进设计、修改指标和其他的建议。分析家也将会根据产品所处阶段，提出处理当前问题的方法。举例来说，如果在产品装配之前发现一个电容器失效,那是容易解决的，不安装这个元件就行了；如果在制造已经开始之后发现同样的失效，分析家和客户就必须衡量其它方案。 客户很可能想要拆去坏的元件而换成好的,而这种返工带来的费用和风险可能是不允许的。可能的替代的方案之一是借助环境试验来筛选那些加工完的部件，从中剔除掉坏的产品。
　　最困难的失效情况之一是有缺陷的产品已经发货出厂了，你是否要把它们召回?或者你将要派人去现场更换每个坏部件?对于处在这种困境中的公司,可靠性测试将能决定这些有缺陷的元件失效的机率、其可能的结果、以及行动的正确方向。可靠性分析常常来自失效分析，它可以用来决定有缺陷的材料的可靠性。 这是你在教科书中找不到的信息，因为没有人会有意设计和测试由坏的部件构成的系统。如果他们被迫做这样的测试的话,也决不会把结果公之于众!
　　失效分析专家的作法将是利用一个失效样品进行实验,例如，加速的环境应力试验, 以便决定在一个给定的时间周期内失效的概率。其结果将会是经理能用以作出商业决策的数字。例如，如果产品的预定保修期是18个月，那么，其风险程度可能不值得在这之前做特别的产品改进。　　

确认纠正的行动
　失效分析的最后步骤是要确认纠正措施是否有效。需要确认的项目将明显依赖于改正了什么和如何改正的。如果它是一个生产量的问题,需要确认的当然是:开动生产过程来看是否生产量有提高；如果一个联接件在现场中经过若干年之后失效,分析人员可能设计一个加速的老化试验来模拟长期的暴露环境。设计各种测试条件来模拟不同的环境是一项完整的科学和手艺。
　　在这个阶段，分析专家的特长将会帮助客户避免常发生的错误。举例来说, 当评估一个热循环的失效时,多数人会认为热冲击一定比慢的热循环更严峻。因此,他们将会做一个热冲击的试验,而不去做慢的热周期试验。(完成冲击试验将花费较少的时间, 这也可能影响人们对试验的决策。) 然而，在某些失效情况中，慢的热循环可能实际上比热冲击更严峻。有时，有些试验看起来像是不必要的，或违反常人的直觉，因而会被忽视，但它们却是必要的。
最成功的失效分析是防范于未然
　　当灾祸迫近的时候,大多数公司都愿聘请一位失效分析专家，因为他们需要一个在最后一刻力挽狂澜的专家。另一个可能的关系是在设计阶段，当要比较不同的方法所产生的结果时,需要向失效分析家咨询。
　　经过早期的介入，失效分析可以用面向可靠性和潜在失效性的眼光来审定提交的设计，从而在潜在的缺陷上升为问题之前就识别它们。分析专家将会提醒设计组注意料想不到的化学的、电的和机械的应力，以及当前的设计怎么会引起已知的各种失效模态。借助于预先识别陷阱，分析家的建议可以免去将来有可能发生的大规模的失效调查。对失效分析而言，防范于未然是不引人注目的成功,但却是更有效和更可预测的，甚至有利于当事人的血压和健康。

图2. 失效分析中心需要特殊的仪器和因果关系的知识