一期一會 | 什么是失效分析？

Ansys中國

2025年11月13日 11:43

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仿真、模擬、有限元分析、多物理場……這些術語是不是早已成為每位仿真人的“日常”？大家是否知曉其背后的技術原理和演進趨勢，正深刻地改變著世界？Ansys全新推出【Simulation Topics】系列專題，邀您一起探索仿真世界。本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。

失效分析，也稱為失效調查，是通過試圖識別和緩解失效根源來找出產品失效原因的過程。失效分析將研究導致失效的環境、導致失效的特定機制以及失效點的位置。

對電子產品進行失效分析，要先將失效定位到印刷電路板組件（PCBA）上的某個區域，然后更深入地研究組件或電路板位置，以找到確切的失效點。

當產品發生失效時

對于任何產品失效，都需要調查導致產品失效的根源。雖然定位失效位置十分重要，但是失效分析的一個主要目的是防止失效再次發生。通過了解基本失效機制和根本原因，制造商可以采取糾正措施，以防止將來再次發生相同的問題。對企業來說，現場故障或質保召回的成本非常高昂，因為它們可能導致巨大的財務和聲譽損失。此外，產品流程后期階段發生的失效也是一個值得關注的問題。

許多行業在其制造或產品支持流程中，都使用失效分析作為一項質量控制（QC）措施，以識別任何潛在失效，確定客戶報告的失效的根本原因，并確保消費者獲得優質產品。最常應用失效分析的行業包括汽車、航空航天、國防、制造、生物醫學和消費品行業，但失效分析流程其實可用于任何行業，以幫助了解制造或現場中出現問題的原因和位置。

電子產品為何會出現失效？

電子產品產生失效的原因有很多。失效通常不是電氣設計問題導致的，而是由材料選擇、熱管理、污染或機械設計等問題引起的。問題可能來自未預料到的熱或機械載荷，也可能來自工程師已經考慮到、但實際影響比預期要嚴重的載荷。另一些情況下，問題原因可能是電路板污染，沒有充分了解材料屬性或行為，或者某種程度的腐蝕。

有許多不同的失效模式和機制，會導致PCBA和單個組件級別的失效。一些常見的電子失效包括：

引線鍵合斷裂和剝離
分層開裂
電容器開裂
芯片損壞
互連失效
焊點疲勞和過應力
引腳斷裂
污染引起的電流泄漏
電化學遷移
導電陽極絲失效
鍍通孔疲勞
焊盤坑裂和導線斷裂

失效分析和根因分析

失效分析和根因分析（RCA）這兩個術語經常被混用，但兩者其實并不完全相同。RCA描述了與失效發生原因有關的一般問題解決方法。RCA旨在評估導致失效的相關因素，并可能考慮組織驅動因素、內部溝通、設計實踐、不良規范、產品使用環境、材料科學假設和許多其他潛在問題。失效分析則是RCA中數據收集技術的一個類別，側重于對失效設備進行系統檢查，以確定失效的根本原因，并提供潛在的緩解措施，以防止其再次發生。以下問題是進行可靠的失效分析的基礎：

1.失效模式是什么？

2.失效是如何發生的？

3.失效點在哪里？

4.失效機制是什么？

5.可以采取哪些措施來防止失效再次發生？

有許多物理和化學失效分析技術可用于直接查找電子系統中的失效，包括：

X射線顯微鏡
聲學顯微鏡
掃描電子顯微鏡（SEM）
光學顯微鏡
能量色散X射線光譜（EDS）
超導量子干涉器件（SQUID）
熱成像
機械測試
染色剝離分析（紅墨水試驗分析）
橫截面分析

“五個為什么”法和六西格瑪等常見的RCA方法，通常將失效分析作為一種數據收集手段，以便為RCA中得到的失效緩解措施提供依據。

為什么失效分析十分重要

我們經常可以看到產品失效的問題上新聞——產品失效可能產生嚴重后果，例如電動汽車或智能手機電池火災。對于制造商而言，產品失效不僅代價高昂，而且還會降低消費者的信心。

利用失效分析，可以通過糾正措施和持續改進產品來滿足消費者的需求，這就為制造商提供了一種建立消費者信心的方法。如果產品已在實際應用中出現失效，那么找出根本原因并解決問題，是確保后續產品能夠成功投放市場的關鍵。

不過，這其實不僅僅關乎制造商自身。在許多行業中，制造商從多個來源采購組件，而失效分析方法可確保這些組件足夠可靠，能夠用于最終產品。因此，失效分析在任何行業都能確保更廣泛的制造供應鏈的穩健性和可靠性。

通常使用哪些RCA方法？

在確定產品失效的根本原因時，通常使用四種RCA方法：

五個為什么：該方法可研究失效的原因和影響，以了解失效的根本原因。它首先是從一個問題開始，然后提出一系列“為什么”來研究產品及其環境，直至找到答案。

魚骨（石川）圖：魚骨圖以其最終形狀的外觀而得名。這種工具在分析初期完全不考慮環境因素，以便工程師可以從其他角度評估有可能導致失效的其他因素，從而縮小根本原因的范圍。

失效樹分析：失效樹分析將系統細分為組件和子系統。該方法用于研究子系統或組件失效與系統其余部分之間的關系，以推斷更高級別系統的失效路徑。失效樹分析的本質是檢查某些區域中的失效位置，并評估它們如何影響更廣泛的系統。

失效模式與影響分析：失效模式與影響分析（FMEA）對失效樹分析進行了進一步擴展，它會定義每個節點的潛在失效模式，并確定這些失效模式將如何影響子系統和系統性能。FMEA會深入到組件和子系統級別來研究失效，并研究失效對更廣泛系統的影響。FMEA比失效樹分析更詳細（例如，深入到芯片上的時序損耗），并且，FMEA有許多類型，可以支持不同行業的不同規范。

如何在失效發生之前進行預防

盡管傳統的RCA方法很有幫助，但可靠性物理和可靠性工程提供了對產品失效原因的更可靠的洞察。其可用于產品研發的任何階段，以便為RCA提供信息，并提前防止失效發生。

可靠性物理為失效分析提供了更高的準確性。使用基于物理的方法可以消除冗余或非常不可能發生的失效選項，從而加速評估失效模式和失效機制。

理解失效的物理原理，使工程師能夠了解產品內部的機械、熱、化學和電氣應力如何導致失效。在大部分情況下，失效不是由電氣因素引起的。事實上，大多數失效模式是由熱、材料選擇、污染和機械（以及電氣）等原因引起的，工程師可以使用基于可靠性物理的仿真工具來捕獲這些原因，以在產品制造之前就防止失效的發生。例如，熱循環失效是電子設備中的常見問題，其可以通過失效分析輕松解決。

典型的仿真方法可能是先對PCBA進行設計審核，然后進行有限元分析（FEA）。仿真方法可評估輸入的材料并評估機械魯棒性，以識別失效模式，評估系統易受影響的潛在失效模式，確定污染閾值，并探索能夠提高系統可靠性的設計方案。

這里列舉了一些采用這種仿真方法的實際示例：

研究灌封化合物的理想溫度范圍
檢查電池內部的潛在性能退化機制
對PCBA的焊點結構進行仿真
模擬PCB敷形涂覆對器件可靠性影響
根據基本原子和分子尺度行為，研究蠕變、疲勞和擴散機制引起的失效

案例研究示例：焊點疲勞

PCBA中最常見的失效機制之一是由熱循環導致的焊點疲勞。現代PCBA包含多種不同的材料，比如玻璃纖維層壓材料、陶瓷、聚合物、焊料、硅和銅，這些材料的屬性各不相同。在評估焊點疲勞失效時，需要考慮的一個最關鍵屬性是熱膨脹系數（CTE）。

焊料通常用于在電子封裝內部將電子組件連接到印刷電路板上，它連接的材料通常具有截然不同的CTE。由于操作環境的變化或組件功率耗散，PCBA和組件會經歷熱循環，從而導致材料以不同的速率膨脹和收縮。這種不均勻膨脹被焊料以蠕變的形式吸收，而焊料中累積的蠕變應變會導致開裂，最終導致焊球完全斷裂。

使用電探測、X射線、超聲波顯微鏡、借助光學顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）的橫截面分析，以及染色剝離分析等技術對失效樣本進行物理分析，可以非常有效地確認焊縫的存在和位置以及焊點疲勞機制。但是，在需要確定失效原因并提出解決方案以預防失效的再次發生時，仿真是一項關鍵工具。通過仿真，分析人員可以考慮材料、幾何結構、環境、連接方法和可能導致焊點疲勞的其他因素的影響。仿真結果有助于了解導致失效的物理因素，并使企業能夠在實施修復之前對設計或操作條件變化的影響進行虛擬測試。

Ansys失效分析解決方案

無論是采用物理分析和測試還是通過仿真來解決失效分析挑戰，可靠性物理都是Ansys方法的核心。我們的可靠性工程服務團隊囊括了卓越設計、電子系統設計、封裝和制造等領域的專家，他們采用物理分析、測試和仿真來解決最棘手的失效分析挑戰。憑借多年的電子設計經驗，該團隊始終首先使用非破壞性的技術來識別失效位置和失效機制。

Ansys軟件可以分析許多電子系統，以查看先進的技術產品中存在或可能存在的熱機械問題。仿真可作為失效分析物理技術的強大補充，并幫助深入了解可能導致失效的力和材料行為。

Ansys Sherlock?電子可靠性預測軟件：根據熱機械問題預測失效。Sherlock軟件可以在系統原生環境中，對發生失效的系統進行仿真，以了解導致該失效的行為。這種可靠性分析方法還使工程師能夠識別組件、電路板和系統中的失效機制，以便更好地針對其預期應用環境進行優化。Sherlock軟件可以進行PCBA級可靠性預測，并使用來自Ansys Mechanical?軟件和Ansys Icepak?解決方案的輸入進行超出PCBA層級的可靠性仿真，例如對PCBA周圍的外殼進行建模，或創建用于降低組件溫度的冷卻系統。

Ansys Mechanical結構FEA軟件：其仿真能力可用于研究不同載荷場景中的最壞情況，這些場景包含PCBA外部的系統元件（例如外殼、機械加強筋和其他更高級別的子系統機械組件）。Mechanical軟件可用于在復雜的系統級裝配體中，推導不同載荷條件下的電路板應變。Mechanical分析的結果可用于識別過應力失效，或傳輸到Sherlock軟件，以便在復雜的載荷和約束場景下進行組件級可靠性預測。

Ansys Icepak電子散熱仿真軟件：提供的熱分析可用于檢查在不同冷卻解決方案的影響下，PCBA上不同組件的溫度。Icepak分析的結果，可用于識別超出組件額定值的溫度，評估組件降額裕量，或將其納入到Sherlock分析中進行組件級可靠性預測。