可靠性设计中的失效机理是什么？

Posted 2021-04-19 可靠性知识

失效机理（ Failure mechanism）是化学/物理过程，导致产品出现瞬时或累积的损伤。

在产品研发过程中，如汽车，从整车架构、子系统、部件等层次，做失效模式影响分析的时候，一级牵涉一级，每个结果都有失效模式，推理到了最后，如果Root Cause发现电容坏掉了，出现短路的情况，这时候怎么办呢？其实还是需要把真正的原因找出来，到底是什么原因让它失效了。这个是我以前理解的DFMEA里面做不到的，因为以前只能做到电源没有了，是因为电容短路了，电容为什么短路，可能的原因要问电容供应商了。

      所以做产品的工程师，需要掌握的不仅仅是失效模式、设计方法、而且需要理解失效机理，到底是什么原因导致元器件的失效。

　

　　失效机理有以下的特点：

    　* 失效机理是失效模式的原因

   　 * 失效机理是有限的，能够被容易识别出来
       * 对失效机理积累下的工程知识，能够应用到所有产品和所有行业

　　所以我个人理解，真要理解清楚产品的环境条件为什么导致那么多失效，将未来产品所经历的物理世界抽象成仿真条件，对产品进行有效的测试验证，那算是正真的产品可靠性设计师。 

    如上图所示，这里的失效机理，可以分两大类：

1）过应力（OverStress）单一的应力导致部件过线

    　这里还是分两种，一种是非材料损伤的问题，如电气、机械和热。典型的例子为供电不足或者是达不到启动条件。

     　第二中是材料损伤，有以下的种类

      * 断裂 Fracture* 弯曲Bucklin

      * 弯曲和硬度 Yielding and Brinnelling

      * 过压Electrical Overstress

      * 静电Electrostatic Discharge

      * 电离击穿 Dielectric Breakdown

      * 热击穿Thermal Breakdown

    　这里就是我以前的主要最坏情况分析的三种，电压应力、静电和热核算的主要缘由，这些瞬间的应力，就直接对部件产生了损坏。这里最重要的一个概念是，所有的电阻和电容，其实都是由材料工艺做成的，比如板级的弯曲应力，作用在元器件上，焊点和内部的构造，就会产生一定的损伤。

 

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2）累积损伤（Cumulative Damage）：持续的使用达到了部件的耐久限制，导致失效。

    　这里才是长期可靠性的设计问题所在，器件本身是暴露环境中的，持续长久的使用导致了元件材料的退化和损伤，积累到一定程度就出现失效。国内的厂家，一般会采用高温老化来进行初步筛选，但是在这一层次，如果不能理解环境和使用条件，对于材料的损伤，对元器件的寿命，仅仅用一个失效率（平均无故障使用时间）就太理想化了。这个数值，其实是大量的实验，对一类产品进行测试，统计而出的。但是由于材料、工艺乃至供应商的不同，它们的数值又岂会是一样的，更何况你模块所在的位置，模块的布置和设计，这些又有很大的差异。

• 磨损 Wear

• 腐蚀 Corrosion

• 疲劳 Fatigue

• 金属迁移 Metal Migration

• 蠕变 Creep

• 老化 Aging

　　　　互扩散 Interdiffusion

　　　　解聚 Depolymerization

　　　　脆化 Embrittlement

 

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