失效机理与损伤模型

失效机理与损伤模型 作者:Abhijit Dasgupta, Michael Pecht and Ji Wu 美国马里兰大学 CALCE 电子产品与系统中心   概念 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 系统发生的失效是由某种特定原因导致的，不管这些失效原因是否预见，大多数失效原因是与用户的特定操作相关的。失效主要来自于制造商对用户需求和期望的忽视和/或轻视、 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 不当、物料选择与管理不当或物料组合不当、制造或组装工艺不当、缺乏适当的技术、用户使用不当和产品质量失控等。失效是一个复杂的概念，其有关的四个简化概念模型是：应力－强度，损伤－韧性，激励－响应，和容限－规格。特定的失效机理取决于材料或结构缺陷、制造或组装过程中导致的损伤、存储和现场使用环境等。影响事物状态的条件统称为应力（载荷），例如机械应力与应变、电流与电压、温度、湿度、化学环境和辐射等。影响应力作用的因素有材料的几何尺寸、构成和损伤特性, 还有制造参数和应用环境。术语应力（载荷），如在 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 及结论中所定义的，它涵盖内容非常广泛。术语环境是各种应力的综合作用，同样，它内容也非常广泛。失效的概念模型一般认为失效是一种二元状态，即某件东西坏了或没坏；然而大多数实际失效要比这复杂得多。失效是以下两者的交互作用综合体的结果：a.作用在系统上或系统内的应力；b.系统的材料/组件。交互作用涉及到的每个变量通常认为是随机的，因此，要正确地理解系统可靠性，就需要充分理解材料/组件对应力的响应，以及每个变量的可变性。失效的四个简化概念模型定义如下：1. 应力－强度。当且仅当应力超过特定强度时，物体才会失效。一个未失效的物体就像新的一样。如果应力没有超过强度，应力无论如何都不会对物体造成永久性的影响。这种失效模式更多地取决于在环境中关键事件的发生，而不是时间或循环历程。强度经常被视为随机变量。可用于这一模型的例子是：a.钢棒受拉应力；b.在晶体管发射极-集电极之间施加电压。2. 损伤－韧性。应力可以造成不可恢复的累积损伤，如腐蚀、磨损、疲劳、介质击穿等。累积损伤不会使产品使用性能下降。当且仅当损伤超过韧性时，也就是损伤累积到物体的韧性极限时，物体才会失效。当应力消除时，累积损伤不会消失，虽然有时可以采用退火。韧性经常被看作为随机变量。3. 激励－响应。如果系统的一个组件坏了，只有当该组件被激励（需要）时才发生响应失效，并暴露它是坏了，并导致系统失效。一个生活中常见的例子就是汽车中的紧急刹车装置。大多数计算机程序（软件）失效都属于这种类型，电话交换系统也与这种失效模式类似。这种失效模式更多地取决于环境中的关键事件何时发生，而不是时间或循环历程。当这种失效模式的失效在系统中很少发生时，通常就很难判断到底是激励不当，或的确属于某种失效。4. 容限－规格。该模型用于当且仅当容限在规格范围内时，系统的性能特征才能符合要求，也就是失效发生时，系统名义上在工作，但工作状态不佳。这一模型的例子有复印机、测量仪器。任何存在性能质量渐进退化的部件或系统，都可以用该模型来表示。本文介绍了各种可以使材料特性退化的失效机理，这种退化可以引起由于以上介绍的四种概念模型中的一个或多个导致的产品失效。失效机理失效机理是导致失效的物理、化学、热力学或其他过程。该过程是应力作用在部件上造成损伤，最终导致系统失效。本质上，它是上面介绍的概念模型中的一个或多个导致的。为了开发可靠的产品，必须要了解产品潜在的失效机理。如果能用模型来量化描述相关失效模式，就可以促进产品设计原则方针的开发。因此，识别系统在生命周期过程中所受的应力所激发的各种失效机理是很必要的。在本文中，失效机理被概括分为过应力机理和磨损机理。表1列出了可能发生失效的一般失效机理，表中包括了常见失效机理，而未列出主要在晶圆级集成电路中发生的失效过程，如介电击穿、热载流子、慢俘获、表面电流扩散、电迁移等。 要尽量避免使用"随机失效"这个词，因为这个词经常被误解且/或被误用来表示"没有原因"。我们通常需要用随机分布和过程来量化我们对于失效机理所涉及的应力、材料/组件和其它变量的无知。但是如果我们不了解这些变量，例如，a.系统的几何和材料特性；b.在制造、存储、操作、周转、测试、使用和维修过程中所施加的应力，就不能量化失效的这些随机特征。应力类型对失效机理进行分类的另一种方法，就是基于触发失效机理的应力类型：机械、热、电、辐射和化学。这样分类并不完整，各类之间也不完全独立，而仅仅是为了方便讨论。·机械失效是指由弹性变形和塑性变形、翘曲、脆性断裂和形变断裂、疲劳断裂萌生和扩展、蠕变和蠕变断裂导致的失效。许多其它类型的失效机机理会最终导致机械失效，同时机械失效（如线缆断裂）会导致电气失效·热失效是指当组件加热到超过其临界温度，如玻璃化转换温度、熔点或闪点时发生的失效。热膨胀和热收缩会产生机械应力·电气失效是指由静电放电、介质击穿、节点击穿、热电子注入、表面俘获和体俘获、表面击穿等引起的失效·辐射失效是由放射性污染物和二次宇宙光所引起的失效·化学失效是指由化学环境引起腐蚀、氧化和表面离子枝晶生长等的失效通常各种应力存在交互作用，如：·由于在热应力作用下产生热膨胀不匹配，从而引起机械失效·应力辅助作用下的腐蚀·应力-腐蚀断裂·场致金属迁移·温度引起对化学反应的加速不是所有的失效机理都与任何一个特定的系统相关。过应力失效机理和磨损失效机理在下面进行概述。过应力失效机理大弹性变形当发生过大的弹性变形时，会发生失效，尤其是过应力作用在细长结构上。这种失效需要使用有限变形弹性力学的非线性理论进行分析。需要注意这一种类型失效可能对高精度结构造成问题，如太空镜、太空天线；或大柔性结构，如太空天线、太阳电池板。它们如果产生大变形会触发物体产生不稳定的振动模式。在电子封装中发生大弹性变形的例子包括：键合丝(bondwires)的大柔性变形会导致间隙串扰和/或短路，柔性板的大柔性变形会在焊端和焊点上产生应力。屈服如定义所示，对一个组件施加的应力超过其屈服强度时，就会产生不可回复的塑性应变，即永久变形。根据应用条件不同，这种永久性的变形可能不会成为失效。这种现象通常发生在金属组件上，有些金属表现出很好的塑性，有些则表现出明显的应变硬化。机械组件如凸轮、齿轮、轴承通常会进行热处理以提高它们的屈服强度，以防止产生塑性变形。电子封装也会产生屈服，电子封装的金属部件如焊料、键合丝、镀铜过孔(copper plated vias)和金属化层(metallization)，在热机械应力作用下都可能产生屈服。翘曲翘曲是由于细长结构在压应力作用下，突然丧失了弹性稳定性而导致的。临界翘曲应力是材料特性（如刚性）和结构参数（如长度直径比）综合作用的结果。用数学公式来表示，翘曲可以表述为沿着不稳定路径正交于初始变形模式的形变，它可以用本征值理论和/或双态理论模拟。翘曲是土木工程结构中受压力作用的柱状结构、航天器硬壳式机身和机翼机构中受剪切作用的面板的常见设计问题。在电子封装中，翘曲现象发生在由于与基板的热膨胀不匹配导致薄膜的起皱、由于未对准插件的插力过大导致器件引脚变形塌陷。脆性断裂在脆性材料（也就是那些在断裂前表现出很少的屈服和非弹性的材料）中，局部微小的瑕疵可能造成尖锐的应力集中。对脆性材料施加过大的应力时，会在主要的微瑕疵处产生突然灾难性的裂纹扩展，从而导致失效。基于局部应力的失效判据是不可行的，因为不论材料所受远场平均或者公称应力水平高低，对瑕疵或裂纹的尖部采用线弹性分析预测到的应力都是无穷大的。因此，断裂失效机理基本的方法是预测能够使局部裂纹扩展的远场应力水平。当尖锐的脆性裂纹扩展时，结构的弹性能总量会改变，这一弹性能总量可以与产生新断裂表面所需要的能量进行比较，从而计算出能导致结构产生局部裂纹扩展的平均的远场应力水平（在没有裂纹的情况下）。Griffith的分析和试验证明：失效不仅与所施加的远场应力大小有关，也与瑕疵大小有关。因此，需要用一种新的衡量方法来评估应力的严重性。应力－强度因子就是这样一种评估方法，因为它的大小取决于所施加应力和瑕疵大小。这样，根据脆性材料失效时的临界应力－强度因子，就可以评价材料的断裂刚性。在强化金属和陶瓷中发生的类似脆性断裂可能导致失效，热固聚合体会由于脆性裂纹发生大规模的微裂纹和龟裂。在电子封装中，脆性断裂常见例子是玻璃密封胶和硅片材料产生裂纹。脆性断裂也会发生在延展性材料如焊料所形成的脆性金属间化合物上。形变断裂当裂纹尖部在过应力作用下产生塑性变形时，脆性断裂的线弹性理论就不适用了，应力－强度因子的概念也没有了物理意义，同时也不能用来描述材料的断裂刚性。然而，Griffith的能量概念仍然适用，可以用来计算裂纹尖部的能量释放率，同时也可以用来预测形变断裂。在机械工程中，对于高温应用的相对塑性材料，这种基于能量的方法是通用的，如在发动机力的燃烧室使用的材料，它在裂纹尖部处的塑性变形和蠕变是不能被忽视的。在电子封装中，形变断裂这种情况可能发生在塑性非弹性材料中，如焊料、铝／金键合丝。界面粘附失效界面粘附失效发生在两个相互粘附材料界面上。相互扩散作用可提高两种不同材料之间界面粘接强度。界面强度取决于界面的化学和机械特性。在界面上发生粘附失效是需要做功的，粘附是一种衡量在分离前可以在界面上转移的最大机械功。分离两个材料的界面所需的功包括粘附功、两个粘附材料进行弹性／非弹性变形所需要的功。从试验角度，界面粘附强度通常用两种材料之间的电子粘合能来描述，它是两种材料的唯一特性。从实际机械应用角度，界面机械强度是以单位连续体长度上的界面断裂韧度来衡量的，由于它是两种材料界面间的特性，具有唯一性，对于不同材料组合，可以在实验室测量得到。在机械工程应用中，最常见的例子就是在键合点和层压材料处的粘附失效。在电子封装中，常见的例子是硅片和粘附材料界面、键合丝和键合盘之间的界面失效。磨损失效机理一般地，在机械、结构和设备中，磨损、腐蚀和疲劳是磨损失效的主要原因。磨损和腐蚀在几千年前大家就都知道，疲劳是上世纪才被大家认识到的。疲劳裂纹萌生当对材料施加循环应力时，由于损伤的累积，材料失效发生时所承受应力远低于材料的最大拉伸强度。疲劳失效开始时，会萌生很小的、只能用显微镜才能观察到的微裂纹，其位置通常在材料的不连续点或材料的缺陷处，这些地方会导致局部应力或塑性应变集中，这种现象称作疲劳裂纹萌生。由于应变振幅较大而在１０３～１０４个循环内就发生的疲劳失效，一般叫低周期疲劳。高周期疲劳是指较低应变或应力振幅、在１０３～１０４个循环后才发生的疲劳失效。材料的疲劳特性可以用（平均）应力－寿命（Ｓ－Ｎ）曲线或（平均）应变－寿命曲线来描述，同时用概率因子来补充，这些曲线绘制了应力或应变振幅与失效时应力反向的平均数量的关系，或应力或应变振幅与物体具体失效比例的关系。在工程设计中，疲劳是最难以解决的问题之一，从旋转式轴承和摆动式部件失效，到航天器、船舶和大型土木工程结构如桥梁和建筑物的失效，在电子封装中，焊点、键合丝和镀铜过孔等经常遇到疲劳问题。疲劳裂纹扩展一旦裂纹开始萌生，在循环应力作用下，裂纹就会稳定地扩展，直到在所施加应力振幅作用下变得不稳定为止。裂纹扩展速度是一种材料特性，同时它与应力强度因子的循环范围或能量释放速率相关。为保证组件设计安全性，不应让其达到疲劳裂纹扩展寿命，但是在工程部件和结构中，如桥梁、船舶和航天器机身，裂纹扩展特性可以被用来制定检测和维修计划。在电子封装中，硅片材料会有此类失效。扩散扩散是指材料中的原子、分子或离子迁徙到另一种材料体相中去的能力，它与时间相关。从原子或分子角度，在固态的扩散是原子或分子从一个晶格到另一个晶格的迁徙，原子必须有足够的能量挣脱原晶格吸引力，同时在另一个晶格重组，这一能量就是激活能。液态时，由于原子和离子具有高移动性，扩散速度较快，并主要取决于浓度梯度。这样扩散就是一种磨损机理，扩散率是一种材料特性，它可以在实验室测量得到。失效机理如腐蚀、蠕变、枝晶增长、电迁移、相互扩散和脱气，通常都是由扩散现象驱动的。在机械、土木或航空工程应用中，扩散通常不是主要失效机理，当然其间接导致的蠕变和腐蚀除外。扩散现象在电子封装中较为重要，如用来评估潮气通过封接面(seals)进入封装体，和通过塑封体本身进入封装内，无论从密封角度，还是潮湿机械应力和潮气引起的汽化膨胀角度考虑，潮气扩散都是有害的。扩散现象也会降解和老化材料，如互连中的多晶铝产生电迁移，密封、粘附和印制电路板的常用高分子聚合物材料（如聚酰亚胺或环氧树脂）。相互扩散当两种不同的材料在一个界面上紧密接触时，通过扩散，一种材料的分子可以迁徙到另一种材料中，反之亦然。这种现象就叫相互扩散，它形成了界面粘附。然而，如果两种材料的有效扩散率不同，其中一种材料将出现原子耗损空位，从而导致Kirkendall空洞。由于扩散是随时间而变化，所以Kirkendall空洞也是随时间变化的。当两种不同材料是通过扩散连接在一起，那这种失效可能成为隐患。在电子封装中，一个常见的例子就是在键合点中，金会浸入到铝中导致紫斑(purple plague)。蠕变当环境温度较高，并有在机械应力作用下，有些材料如热塑性聚合体、焊料和许多金属都会发生随时间而变化的变形，这主要是由于位错上升机理和聚合物链再定位（自扩散），或者是由于晶界滑移晶格间／晶格内的空位迁徙（晶格界面扩散）导致的。每种蠕变机理所需的激活能都是一种材料特性，并与温度相关。这样在同一材料中，不同温度下会有不同的蠕变机理发生，有时会同时发生一种以上的蠕变机理。金属在高温条件下应用时，常常需要考虑蠕变设计，如在发电厂燃烧炉／排气炉、核反应压力舱／涡轮中使用的材料。热塑性聚合体在较低温度下也会出现蠕变问题。在电子封装中，焊点和印制电路板基材在焊接温度条件下就会出现蠕变。腐蚀腐蚀是材料化学或电化学降解的过程。腐蚀的常见形式是均匀腐蚀、原电池腐蚀和坑蚀。腐蚀反应速度取决于父材料、离子污染物的电解液、几何形状因素和局部电偏压。均匀腐蚀是均匀地发生在整个金属－电解液的化学或电化学的反应，腐蚀过程的连续性和腐蚀速度取决于腐蚀材料的特性。如果腐蚀材料可溶于水，那它可以被洗刷掉，这样露出新鲜金属从而发生进一步的腐蚀。如果腐蚀材料形成一层不溶于水、无孔性的附着层，它就可以控制腐蚀速度并最终使腐蚀停止。原电池腐蚀发生在两个或两个以上不同的金属相互接触时。每种金属都有唯一的电化学势，所以，当两种金属接触时，电化学势高的金属就变成了阴极（该处发生还原反应），另一种金属就成为阳极（该处发生氧化反应，或腐蚀），这样就形成了原电池效应。原电池腐蚀速度取决于阳极的电离速度（即阳极材料溶入溶液的速度，同时也取决于两个接触金属材料之间的电化学势差）。势能差越大，原电池腐蚀的速度就越高。因为电荷是守恒的，所以原电池腐蚀速度也取决于阴极反应的速度。阴极与阳极的面积比也对原电池腐蚀有很大的影响。坑蚀在局部区域发生，并形成凹坑。这种在坑内的腐蚀情况加速了腐蚀过程，随着阳极的阳离子进入到溶液中，它们进行水解并形成氢离子，这就提高了坑内的酸度，从而破坏了附着的腐蚀材料，进而暴露出更多的新鲜金属受到腐蚀。由于坑内氧气含量较低，阴极还原反应只会在坑口发生，这样就限制了坑的横向扩展。表面氧化是另一种在金属材料中常见的腐蚀类型，它取决于氧化物形成的自由能。例如，铝和镁氧化的驱动力很大，但铜、铬和镍的氧化驱动力就要小得多。氧化层的特性通常决定了继续腐蚀的速度，因为表面上稠密的氧化层可以充当内部材料的保护层的作用，而不像多孔性、低密度的氧化层，这些氧化层提供的保护特性有着明显区别。腐蚀在所有工程结构中都是一个非常普遍性的问题，尤其是那些恶劣化学环境下的工程结构，如化学工程处理设备，在盐雾环境下的海军设备，海上石油钻塔和桥梁等。在电子封装中，所有有金属的地方都有可能发生腐蚀，需要特别小心。许多腐蚀问题都得到很好地研究，同时它们也有明确的预防措施。然而腐蚀失效还继续存在，许多腐蚀问题是由于违反了基本原理而导致的。应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂是由于材料同时承受机械应力和腐蚀现象作用，而同时出现断裂和腐蚀两种机理相互影响的结果。它是由于在腐蚀发生的表面缺陷处存在应力集中（可量化为应力强度因子），当应力集中达到一临界值时，机械断裂就出现了。虽然在这样的缺陷处的确存在应力集中，但在惰性环境下，应力是不会超过材料发生机械断裂所需的临界值的。所以从本质上说，应力腐蚀降低了材料的断裂强度，这个过程是互相促进的，也就是说，机械和化学力的共同综合作用导致了裂纹的扩展，如果只一个力单独作用，是不会出现同样的结果的。枝晶生长枝晶生长从本质上看就是一个电解过程。它可以通过电偏压试验观察到，试验中可以看到金属从阳极区域迁移到阴极区域，并在此处形成枝晶。金属迁移导致在相连区域形成漏电流，如果发生了完全相连那就形成了短路（迁移电阻短路）。虽然银迁移的报道很多，但根据环境条件不同，许多的其它金属如铅、锡、镍、金和铜都会发生迁移。金属迁移取决于：金属、冷凝水或离子种类、电压等的存在。首先，已知的能呈现金属迁移的金属（铅、锡、镍、金、铜、银）要暴露在大气中，由于迁移现象是电解过程，所以必要条件就是需要有导电媒介，即含有溶解性离子的水，离子种类可以是杂质，如氯化物或腐蚀过程的产物，最后，需要产生金属迁移的驱动力是电位差。磨损磨损是在接触力作用下，两个相互接触的表面经历相对滑移运动而产生的材料侵蚀。磨损可以是粘附、研磨、或在液体冷却部件上由于气穴现象而导致冷管的液体侵蚀。磨损率通常是一种材料特性，同时它与材料硬度直接相关。对材料表面进行处理以提高硬度，并提高耐磨损性。磨损侵蚀可以导致材料的均匀脱落，如往复式内燃机发动机中的活塞环的磨损、喷沙或喷丸处理的除锈等。另一方面磨损侵蚀也可能是不均匀的，如齿轮表面的凹坑等。在传送液体的管道发生的气穴现象磨损可能生成非均匀的凹坑。粘附腐蚀在电子封装中的连接器啮合面较为常见。辐射损伤粒子辐射在航天环境如卫星、太空船、高海拔航天器，和陆地环境如核能、粒子研究设施中较为常见。辐射损伤可分为两种形式：a.机械失效机理；b.更为严重的电子损伤机理。机械失效机理是辐射脆变；电子现象更多的是一种不可预测的过应力和由单个辐射离子穿过超大规模集成（ＶＬＳＩ）电路而产生的软错误。对于不同的材料，辐射损伤会产生不同类型的老化。金属陶瓷和聚合材料都会产生辐射老化，对于金属和陶瓷材料，辐射会导致点缺陷，如由于将原子击出分子晶格结构而导致空位和填隙原子的成对出现（Schottky缺陷），这些点缺陷会导致脆变老化，就像退火情况一样。更为重要的是，在电子封装应用中，这些缺陷也会改变有源器件的热、光和电特性，从而影响其性能。对于聚合材料，辐射损伤是通过打破聚合物链，或由于分键(chain branching)而改变聚合程度，从而导致辐射老化的，它们都会导致聚合体强度的下降。其最常见的形式是聚合物在长时间暴露在强太阳光的紫外线下，会导致光降解。为了克服这种失效，有时需要添加稳定剂。航天器和卫星材料经常遇到由于辐射损伤而引起的材料老化问题。在电子封装中，需要考虑由于辐射导致的电失效模式，因为从一定程度上它们决定了封装材料的选择及其纯度。另外，在封装设计和布局时，辐射屏蔽也是重要的考虑因素。辐射对微电子的影响已经成为阻碍VLSI密度进一步快速提高的重要因素。在多数现代微电子领域中，宇宙射线或放射性污染可以制造软错误，软错误是由于单一高能离子（电子、光子、μ介子、π介子或α粒子）穿过微电路而导致的失效，这种软错误干扰会改变微电路的逻辑状态，且是不可预测、不可复现和暂时性的；也就是说，找不到与这种错误相关的物理缺陷，同时失效的位会在下一个时钟循环到来后恢复。