失效機(jī)理與損傷模型

1、失效機(jī)理與損傷模型作者:Abhijit Dasgupta，Michael Pecht and Ji Wu美國馬里蘭大學(xué)CALCE電子產(chǎn)品與系統(tǒng)中心! h+ o2 z! A8 b+ Q  ( Q! Z6 B* j概念. p3 x' E( K# v! L9 2 k工程系統(tǒng)發(fā)生的失效是由某種特定原因?qū)е碌?，不管這些失效原因是否預(yù)見，大多數(shù)失效原因是與用戶的特定操作相關(guān)的。) X6 t' w0 E3 I' G! g6 S/ D* h  X/ k失效主要來自于制造商對(duì)用戶需求和期望的忽視和/或輕視、設(shè)計(jì)不當(dāng)、物料選擇與管理不當(dāng)或物料組合不當(dāng)

2、、制造或組裝工藝不當(dāng)、缺乏適當(dāng)?shù)募夹g(shù)、用戶使用不當(dāng)和產(chǎn)品質(zhì)量失控等。/t)_7XI.E)D，/t3e-R失效是一個(gè)復(fù)雜的概念，其有關(guān)的四個(gè)簡(jiǎn)化概念模型是：應(yīng)力強(qiáng)度，損傷韌性，激勵(lì)響應(yīng)，和容限規(guī)格。特定的失效機(jī)理取決于材料或結(jié)構(gòu)缺陷、制造或組裝過程中導(dǎo)致的損傷、存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境等。7 F$ t) * t* t% : b/ ) d& r$ V$ a影響事物狀態(tài)的條件統(tǒng)稱為應(yīng)力（載荷），例如機(jī)械應(yīng)力與應(yīng)變、電流與電壓、溫度、濕度、化學(xué)環(huán)境和輻射等。影響應(yīng)力作用的因素有材料的幾何尺寸、構(gòu)成和損傷特性，還有制造參數(shù)和應(yīng)用環(huán)境。* z+ * j8 D" u# i+ o4 R術(shù)語應(yīng)力（載

3、荷），如在總結(jié)及結(jié)論中所定義的，它涵蓋內(nèi)容非常廣泛。術(shù)語環(huán)境是各種應(yīng)力的綜合作用，同樣，它內(nèi)容也非常廣泛。失效的概念模型一般認(rèn)為失效是一種二元狀態(tài)，即某件東西壞了或沒壞；然而大多數(shù)實(shí)際失效要比這復(fù)雜得多。失效是以下兩者的交互作用綜合體的結(jié)果：a.作用在系統(tǒng)上或系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)力；b.系統(tǒng)的材料/組件。交互作用涉及到的每個(gè)變量通常認(rèn)為是隨機(jī)的，因此，要正確地理解系統(tǒng)可靠性，就需要充分理解材料/組件對(duì)應(yīng)力的響應(yīng)，以及每個(gè)變量的可變性。2 k5 y3 G7 o- E# j. ( l- A失效的四個(gè)簡(jiǎn)化概念模型定義如下：+ D4 B) n, ; 7 |7 g7 s5 R2 E( G- l1.應(yīng)力強(qiáng)度。當(dāng)且僅

4、當(dāng)應(yīng)力超過特定強(qiáng)度時(shí)，物體才會(huì)失效。一個(gè)未失效的物體就像新的一樣。如果應(yīng)力沒有超過強(qiáng)度，應(yīng)力無論如何都不會(huì)對(duì)物體造成永久性的影響。這種失效模式更多地取決于在環(huán)境中關(guān)鍵事件的發(fā)生，而不是時(shí)間或循環(huán)歷程。強(qiáng)度經(jīng)常被視為隨機(jī)變量?？捎糜谶@一模型的例子是：a.鋼棒受拉應(yīng)力；b.在晶體管發(fā)射極-集電極之間施加電壓。5 ! O: D& y. r5 D/ t5 p: s2.損傷韌性。應(yīng)力可以造成不可恢復(fù)的累積損傷，如腐蝕、磨損、疲勞、介質(zhì)擊穿等。累積損傷不會(huì)使產(chǎn)品使用性能下降。當(dāng)且僅當(dāng)損傷超過韌性時(shí)，也就是損傷累積到物體的韌性極限時(shí)，物體才會(huì)失效。當(dāng)應(yīng)力消除時(shí)，累積損傷不會(huì)消失，雖然有時(shí)可以采用退火

5、。韌性經(jīng)常被看作為隨機(jī)變量。3.激勵(lì)響應(yīng)。如果系統(tǒng)的一個(gè)組件壞了，只有當(dāng)該組件被激勵(lì)（需要）時(shí)才發(fā)生響應(yīng)失效，并暴露它是壞了，并導(dǎo)致系統(tǒng)失效。一個(gè)生活中常見的例子就是汽車中的緊急剎車裝置。大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序（軟件）失效都屬于這種類型，電話交換系統(tǒng)也與這種失效模式類似。這種失效模式更多地取決于環(huán)境中的關(guān)鍵事件何時(shí)發(fā)生，而不是時(shí)間或循環(huán)歷程。當(dāng)這種失效模式的失效在系統(tǒng)中很少發(fā)生時(shí)，通常就很難判斷到底是激勵(lì)不當(dāng)，或的確屬于某種失效。* Z; . ?9 j2 o/ 5 O7 |( W4.容限規(guī)格。該模型用于當(dāng)且僅當(dāng)容限在規(guī)格范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)的性能特征才能符合要求，也就是失效發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)名義上在工作，但工作

6、狀態(tài)不佳。這一模型的例子有復(fù)印機(jī)、測(cè)量儀器。任何存在性能質(zhì)量漸進(jìn)退化的部件或系統(tǒng)，都可以用該模型來表示。本文介紹了各種可以使材料特性退化的失效機(jī)理，這種退化可以引起由于以上介紹的四種概念模型中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)致的產(chǎn)品失效。失效機(jī)理* - B) C" t7 c. E. o失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過程。該過程是應(yīng)力作用在部件上造成損傷，最終導(dǎo)致系統(tǒng)失效。本質(zhì)上，它是上面介紹的概念模型中的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)致的。為了開發(fā)可靠的產(chǎn)品，必須要了解產(chǎn)品潛在的失效機(jī)理。如果能用模型來量化描述相關(guān)失效模式，就可以促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則方針的開發(fā)。因此，識(shí)別系統(tǒng)在生命周期過程中所受的應(yīng)力所激發(fā)的

7、各種失效機(jī)理是很必要的。在本文中，失效機(jī)理被概括分為過應(yīng)力機(jī)理和磨損機(jī)理。" o8 D: d' a+ c) j( N# B9 Y表1列出了可能發(fā)生失效的一般失效機(jī)理，表中包括了常見失效機(jī)理，而未列出主要在晶圓級(jí)集成電路中發(fā)生的失效過程，如介電擊穿、熱載流子、慢俘獲、表面電流擴(kuò)散、電遷移等。要盡量避免使用"隨機(jī)失效"這個(gè)詞，因?yàn)檫@個(gè)詞經(jīng)常被誤解且/或被誤用來表示"沒有原因"。我們通常需要用隨機(jī)分布和過程來量化我們對(duì)于失效機(jī)理所涉及的應(yīng)力、材料/組件和其它變量的無知。但是如果我們不了解這些變量，例如，a.系統(tǒng)的幾何和材料特性；b.在制造、存

8、儲(chǔ)、操作、周轉(zhuǎn)、測(cè)試、使用和維修過程中所施加的應(yīng)力，就不能量化失效的這些隨機(jī)特征。應(yīng)力類型對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行分類的另一種方法，就是基于觸發(fā)失效機(jī)理的應(yīng)力類型：機(jī)械、熱、電、輻射和化學(xué)。這樣分類并不完整，各類之間也不完全獨(dú)立，而僅僅是為了方便討論。機(jī)械失效是指由彈性變形和塑性變形、翹曲、脆性斷裂和形變斷裂、疲勞斷裂萌生和擴(kuò)展、蠕變和蠕變斷裂導(dǎo)致的失效。許多其它類型的失效機(jī)機(jī)理會(huì)最終導(dǎo)致機(jī)械失效，同時(shí)機(jī)械失效（如線纜斷裂）會(huì)導(dǎo)致電氣失效熱失效是指當(dāng)組件加熱到超過其臨界溫度，如玻璃化轉(zhuǎn)換溫度、熔點(diǎn)或閃點(diǎn)時(shí)發(fā)生的失效。熱膨脹和熱收縮會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力% m+ M/ g1 W+ O- E" R9 i/

9、 x! T  J電氣失效是指由靜電放電、介質(zhì)擊穿、節(jié)點(diǎn)擊穿、熱電子注入、表面俘獲和體俘獲、表面擊穿等引起的失效輻射失效是由放射性污染物和二次宇宙光所引起的失效- N- S9 E* E  Q6 - g3 Q化學(xué)失效是指由化學(xué)環(huán)境引起腐蝕、氧化和表面離子枝晶生長等的失效通常各種應(yīng)力存在交互作用，如：# 9 R; J0 l" T由于在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生熱膨脹不匹配，從而引起機(jī)械失效應(yīng)力輔助作用下的腐蝕4 R( a5 a8 |& y應(yīng)力-腐蝕斷裂場(chǎng)致金屬遷移溫度引起對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速# G9 k" Z6 s( j8 b6 % M) |不是

10、所有的失效機(jī)理都與任何一個(gè)特定的系統(tǒng)相關(guān)。+ C2 z& & J4 A/ |0 ' J3 i過應(yīng)力失效機(jī)理和磨損失效機(jī)理在下面進(jìn)行概述。) v: x( C' e5 d( C, 9 K2 Z3 Q) ?過應(yīng)力失效機(jī)理大彈性變形" d; J  z0 f' u, S: M$ S0 S當(dāng)發(fā)生過大的彈性變形時(shí)，會(huì)發(fā)生失效，尤其是過應(yīng)力作用在細(xì)長結(jié)構(gòu)上。這種失效需要使用有限變形彈性力學(xué)的非線性理論進(jìn)行分析。需要注意這一種類型失效可能對(duì)高精度結(jié)構(gòu)造成問題，如太空鏡、太空天線；或大柔性結(jié)構(gòu)，如太空天線、太陽電池板。它們?nèi)绻a(chǎn)生大變形會(huì)觸發(fā)物

11、體產(chǎn)生不穩(wěn)定的振動(dòng)模式。在電子封裝中發(fā)生大彈性變形的例子包括：鍵合絲(bond wires)的大柔性變形會(huì)導(dǎo)致間隙串?dāng)_和/或短路，柔性板的大柔性變形會(huì)在焊端和焊點(diǎn)上產(chǎn)生應(yīng)力。屈服4 J0 P. 3 v9 y! 3 p如定義所示，對(duì)一個(gè)組件施加的應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性應(yīng)變，即永久變形。根據(jù)應(yīng)用條件不同，這種永久性的變形可能不會(huì)成為失效。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在金屬組件上，有些金屬表現(xiàn)出很好的塑性，有些則表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化。機(jī)械組件如凸輪、齒輪、軸承通常會(huì)進(jìn)行熱處理以提高它們的屈服強(qiáng)度，以防止產(chǎn)生塑性變形。電子封裝也會(huì)產(chǎn)生屈服，電子封裝的金屬部件如焊料、鍵合絲、鍍銅過孔(copp

12、erplatedvias)和金屬化層(metallization)，在熱機(jī)械應(yīng)力作用下都可能產(chǎn)生屈服。翹曲$ h, ! q. p" C6 Y; L* E翹曲是由于細(xì)長結(jié)構(gòu)在壓應(yīng)力作用下，突然喪失了彈性穩(wěn)定性而導(dǎo)致的。臨界翹曲應(yīng)力是材料特性（如剛性）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（如長度直徑比）綜合作用的結(jié)果。用數(shù)學(xué)公式來表示，翹曲可以表述為沿著不穩(wěn)定路徑正交于初始變形模式的形變，它可以用本征值理論和/或雙態(tài)理論模擬。翹曲是土木工程結(jié)構(gòu)中受壓力作用的柱狀結(jié)構(gòu)、航天器硬殼式機(jī)身和機(jī)翼機(jī)構(gòu)中受剪切作用的面板的常見設(shè)計(jì)問題。在電子封裝中，翹曲現(xiàn)象發(fā)生在由于與基板的熱膨脹不匹配導(dǎo)致薄膜的起皺、由于未對(duì)準(zhǔn)插件的插力

13、過大導(dǎo)致器件引腳變形塌陷。脆性斷裂! h/ E# 3 K# N在脆性材料（也就是那些在斷裂前表現(xiàn)出很少的屈服和非彈性的材料）中，局部微小的瑕疵可能造成尖銳的應(yīng)力集中。對(duì)脆性材料施加過大的應(yīng)力時(shí)，會(huì)在主要的微瑕疵處產(chǎn)生突然災(zāi)難性的裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致失效。0 e% f" u7 ' U' I( L基于局部應(yīng)力的失效判據(jù)是不可行的，因?yàn)椴徽摬牧纤苓h(yuǎn)場(chǎng)平均或者公稱應(yīng)力水平高低，對(duì)瑕疵或裂紋的尖部采用線彈性分析預(yù)測(cè)到的應(yīng)力都是無窮大的。因此，斷裂失效機(jī)理基本的方法是預(yù)測(cè)能夠使局部裂紋擴(kuò)展的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力水平。& K7 H4 Z7 4 q$ V當(dāng)尖銳的脆性裂紋擴(kuò)展時(shí)，結(jié)構(gòu)的彈性

14、能總量會(huì)改變，這一彈性能總量可以與產(chǎn)生新斷裂表面所需要的能量進(jìn)行比較，從而計(jì)算出能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部裂紋擴(kuò)展的平均的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力水平（在沒有裂紋的情況下）。; f+ m# + j% i Griffith的分析和試驗(yàn)證明：失效不僅與所施加的遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力大小有關(guān)，也與瑕疵大小有關(guān)。因此，需要用一種新的衡量方法來評(píng)估應(yīng)力的嚴(yán)重性。應(yīng)力強(qiáng)度因子就是這樣一種評(píng)估方法，因?yàn)樗拇笮∪Q于所施加應(yīng)力和瑕疵大小。這樣，根據(jù)脆性材料失效時(shí)的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，就可以評(píng)價(jià)材料的斷裂剛性。+ |8 7 c) / S7 Q: 在強(qiáng)化金屬和陶瓷中發(fā)生的類似脆性斷裂可能導(dǎo)致失效，熱固聚合體會(huì)由于脆性裂紋發(fā)生大規(guī)模的微裂紋和龜裂。在電

15、子封裝中，脆性斷裂常見例子是玻璃密封膠和硅片材料產(chǎn)生裂紋。脆性斷裂也會(huì)發(fā)生在延展性材料如焊料所形成的脆性金屬間化合物上。形變斷裂當(dāng)裂紋尖部在過應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形時(shí)，脆性斷裂的線彈性理論就不適用了，應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念也沒有了物理意義，同時(shí)也不能用來描述材料的斷裂剛性。然而，Griffith的能量概念仍然適用，可以用來計(jì)算裂紋尖部的能量釋放率，同時(shí)也可以用來預(yù)測(cè)形變斷裂。在機(jī)械工程中，對(duì)于高溫應(yīng)用的相對(duì)塑性材料，這種基于能量的方法是通用的，如在發(fā)動(dòng)機(jī)力的燃燒室使用的材料，它在裂紋尖部處的塑性變形和蠕變是不能被忽視的。在電子封裝中，形變斷裂這種情況可能發(fā)生在塑性非彈性材料中，如焊料、鋁金鍵合絲。

16、界面粘附失效5 Z: N1 i% f# f: V$ x" y7 w界面粘附失效發(fā)生在兩個(gè)相互粘附材料界面上。相互擴(kuò)散作用可提高兩種不同材料之間界面粘接強(qiáng)度。界面強(qiáng)度取決于界面的化學(xué)和機(jī)械特性。在界面上發(fā)生粘附失效是需要做功的，粘附是一種衡量在分離前可以在界面上轉(zhuǎn)移的最大機(jī)械功。分離兩個(gè)材料的界面所需的功包括粘附功、兩個(gè)粘附材料進(jìn)行彈性非彈性變形所需要的功。從試驗(yàn)角度，界面粘附強(qiáng)度通常用兩種材料之間的電子粘合能來描述，它是兩種材料的唯一特性。從實(shí)際機(jī)械應(yīng)用角度，界面機(jī)械強(qiáng)度是以單位連續(xù)體長度上的界面斷裂韌度來衡量的，由于它是兩種材料界面間的特性，具有唯一性，對(duì)于不同材料組合，可以在實(shí)驗(yàn)

17、室測(cè)量得到。- z& G2 j) o6 a2 A. t- ?在機(jī)械工程應(yīng)用中，最常見的例子就是在鍵合點(diǎn)和層壓材料處的粘附失效。在電子封裝中，常見的例子是硅片和粘附材料界面、鍵合絲和鍵合盤之間的界面失效。磨損失效機(jī)理- l- V) W7 C$ t* a+ V. G一般地，在機(jī)械、結(jié)構(gòu)和設(shè)備中，磨損、腐蝕和疲勞是磨損失效的主要原因。磨損和腐蝕在幾千年前大家就都知道，疲勞是上世紀(jì)才被大家認(rèn)識(shí)到的。. K& g# G' F. C疲勞裂紋萌生0t.v:c#e44r*E當(dāng)對(duì)材料施加循環(huán)應(yīng)力時(shí)，由于損傷的累積，材料失效發(fā)生時(shí)所承受應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的最大拉伸強(qiáng)度。疲勞失效開始時(shí)，會(huì)萌生很

18、小的、只能用顯微鏡才能觀察到的微裂紋，其位置通常在材料的不連續(xù)點(diǎn)或材料的缺陷處，這些地方會(huì)導(dǎo)致局部應(yīng)力或塑性應(yīng)變集中，這種現(xiàn)象稱作疲勞裂紋萌生。由于應(yīng)變振幅較大而在103104個(gè)循環(huán)內(nèi)就發(fā)生的疲勞失效，一般叫低周期疲勞。高周期疲勞是指較低應(yīng)變或應(yīng)力振幅、在103104個(gè)循環(huán)后才發(fā)生的疲勞失效。材料的疲勞特性可以用（平均）應(yīng)力壽命（S-N）曲線或（平均）應(yīng)變壽命曲線來描述，同時(shí)用概率因子來補(bǔ)充，這些曲線繪制了應(yīng)力或應(yīng)變振幅與失效時(shí)應(yīng)力反向的平均數(shù)量的關(guān)系，或應(yīng)力或應(yīng)變振幅與物體具體失效比例的關(guān)系。在工程設(shè)計(jì)中，疲勞是最難以解決的問題之一，從旋轉(zhuǎn)式軸承和擺動(dòng)式部件失效，到航天器、船舶和大型土木工程

19、結(jié)構(gòu)如橋梁和建筑物的失效，在電子封裝中，焊點(diǎn)、鍵合絲和鍍銅過孔等經(jīng)常遇到疲勞問題。疲勞裂紋擴(kuò)展一旦裂紋開始萌生，在循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋就會(huì)穩(wěn)定地?cái)U(kuò)展，直到在所施加應(yīng)力振幅作用下變得不穩(wěn)定為止。裂紋擴(kuò)展速度是一種材料特性，同時(shí)它與應(yīng)力強(qiáng)度因子的循環(huán)范圍或能量釋放速率相關(guān)。為保證組件設(shè)計(jì)安全性，不應(yīng)讓其達(dá)到疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，但是在工程部件和結(jié)構(gòu)中，如橋梁、船舶和航天器機(jī)身，裂紋擴(kuò)展特性可以被用來制定檢測(cè)和維修計(jì)劃。在電子封裝中，硅片材料會(huì)有此類失效。擴(kuò)散擴(kuò)散是指材料中的原子、分子或離子遷徙到另一種材料體相中去的能力，它與時(shí)間相關(guān)。從原子或分子角度，在固態(tài)的擴(kuò)散是原子或分子從一個(gè)晶格到另一個(gè)晶格的遷

20、徙，原子必須有足夠的能量掙脫原晶格吸引力，同時(shí)在另一個(gè)晶格重組，這一能量就是激活能。液態(tài)時(shí)，由于原子和離子具有高移動(dòng)性，擴(kuò)散速度較快，并主要取決于濃度梯度。這樣擴(kuò)散就是一種磨損機(jī)理，擴(kuò)散率是一種材料特性，它可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到。失效機(jī)理如腐蝕、蠕變、枝晶增長、電遷移、相互擴(kuò)散和脫氣，通常都是由擴(kuò)散現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)的。在機(jī)械、土木或航空工程應(yīng)用中，擴(kuò)散通常不是主要失效機(jī)理，當(dāng)然其間接導(dǎo)致的蠕變和腐蝕除外。擴(kuò)散現(xiàn)象在電子封裝中較為重要，如用來評(píng)估潮氣通過封接面(seals)進(jìn)入封裝體，和通過塑封體本身進(jìn)入封裝內(nèi)，無論從密封角度，還是潮濕機(jī)械應(yīng)力和潮氣引起的汽化膨脹角度考慮，潮氣擴(kuò)散都是有害的。% g1 8

21、 t) c, ( Y) _2 G6 L1 O擴(kuò)散現(xiàn)象也會(huì)降解和老化材料，如互連中的多晶鋁產(chǎn)生電遷移，密封、粘附和印制電路板的常用高分子聚合物材料（如聚酰亞胺或環(huán)氧樹脂）。相互擴(kuò)散當(dāng)兩種不同的材料在一個(gè)界面上緊密接觸時(shí)，通過擴(kuò)散，一種材料的分子可以遷徙到另一種材料中，反之亦然。這種現(xiàn)象就叫相互擴(kuò)散，它形成了界面粘附。然而，如果兩種材料的有效擴(kuò)散率不同，其中一種材料將出現(xiàn)原子耗損空位，從而導(dǎo)致Kirk end all空洞。由于擴(kuò)散是隨時(shí)間而變化，所以Kirk end all空洞也是隨時(shí)間變化的。當(dāng)兩種不同材料是通過擴(kuò)散連接在一起，那這種失效可能成為隱患。在電子封裝中，一個(gè)常見的例子就是在鍵合點(diǎn)中，

22、金會(huì)浸入到鋁中導(dǎo)致紫斑(purple plague)。蠕變當(dāng)環(huán)境溫度較高，并有在機(jī)械應(yīng)力作用下，有些材料如熱塑性聚合體、焊料和許多金屬都會(huì)發(fā)生隨時(shí)間而變化的變形，這主要是由于位錯(cuò)上升機(jī)理和聚合物鏈再定位（自擴(kuò)散），或者是由于晶界滑移晶格間晶格內(nèi)的空位遷徙（晶格界面擴(kuò)散）導(dǎo)致的。! M" E! z+ p; Z9 u每種蠕變機(jī)理所需的激活能都是一種材料特性，并與溫度相關(guān)。這樣在同一材料中，不同溫度下會(huì)有不同的蠕變機(jī)理發(fā)生，有時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生一種以上的蠕變機(jī)理。金屬在高溫條件下應(yīng)用時(shí)，常常需要考慮蠕變?cè)O(shè)計(jì)，如在發(fā)電廠燃燒爐排氣爐、核反應(yīng)壓力艙渦輪中使用的材料。熱塑性聚合體在較低溫度下也會(huì)出現(xiàn)蠕

23、變問題。在電子封裝中，焊點(diǎn)和印制電路板基材在焊接溫度條件下就會(huì)出現(xiàn)蠕變。腐蝕! z7 P+ e3 K+ g( O腐蝕是材料化學(xué)或電化學(xué)降解的過程。腐蝕的常見形式是均勻腐蝕、原電池腐蝕和坑蝕。腐蝕反應(yīng)速度取決于父材料、離子污染物的電解液、幾何形狀因素和局部電偏壓。9 S& m) X" T# z均勻腐蝕是均勻地發(fā)生在整個(gè)金屬電解液的化學(xué)或電化學(xué)的反應(yīng)，腐蝕過程的連續(xù)性和腐蝕速度取決于腐蝕材料的特性。如果腐蝕材料可溶于水，那它可以被洗刷掉，這樣露出新鮮金屬從而發(fā)生進(jìn)一步的腐蝕。如果腐蝕材料形成一層不溶于水、無孔性的附著層，它就可以控制腐蝕速度并最終使腐蝕停止。& m9 ?&

24、amp; x! I+ z4 Q$ P* x/ R原電池腐蝕發(fā)生在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同的金屬相互接觸時(shí)。每種金屬都有唯一的電化學(xué)勢(shì)，所以，當(dāng)兩種金屬接觸時(shí)，電化學(xué)勢(shì)高的金屬就變成了陰極（該處發(fā)生還原反應(yīng)），另一種金屬就成為陽極（該處發(fā)生氧化反應(yīng)，或腐蝕），這樣就形成了原電池效應(yīng)。原電池腐蝕速度取決于陽極的電離速度（即陽極材料溶入溶液的速度，同時(shí)也取決于兩個(gè)接觸金屬材料之間的電化學(xué)勢(shì)差）。勢(shì)能差越大，原電池腐蝕的速度就越高。因?yàn)殡姾墒鞘睾愕模栽姵馗g速度也取決于陰極反應(yīng)的速度。陰極與陽極的面積比也對(duì)原電池腐蝕有很大的影響。- R3 e3 # y  a* u& k/

25、m坑蝕在局部區(qū)域發(fā)生，并形成凹坑。這種在坑內(nèi)的腐蝕情況加速了腐蝕過程，隨著陽極的陽離子進(jìn)入到溶液中，它們進(jìn)行水解并形成氫離子，這就提高了坑內(nèi)的酸度，從而破壞了附著的腐蝕材料，進(jìn)而暴露出更多的新鮮金屬受到腐蝕。由于坑內(nèi)氧氣含量較低，陰極還原反應(yīng)只會(huì)在坑口發(fā)生，這樣就限制了坑的橫向擴(kuò)展。  J! O& F0 W5 ?  ?# S表面氧化是另一種在金屬材料中常見的腐蝕類型，它取決于氧化物形成的自由能。例如，鋁和鎂氧化的驅(qū)動(dòng)力很大，但銅、鉻和鎳的氧化驅(qū)動(dòng)力就要小得多。氧化層的特性通常決定了繼續(xù)腐蝕的速度，因?yàn)楸砻嫔铣砻艿难趸瘜涌梢猿洚?dāng)內(nèi)部材料的保護(hù)層的作

26、用，而不像多孔性、低密度的氧化層，這些氧化層提供的保護(hù)特性有著明顯區(qū)別。腐蝕在所有工程結(jié)構(gòu)中都是一個(gè)非常普遍性的問題，尤其是那些惡劣化學(xué)環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)，如化學(xué)工程處理設(shè)備，在鹽霧環(huán)境下的海軍設(shè)備，海上石油鉆塔和橋梁等。在電子封裝中，所有有金屬的地方都有可能發(fā)生腐蝕，需要特別小心。許多腐蝕問題都得到很好地研究，同時(shí)它們也有明確的預(yù)防措施。然而腐蝕失效還繼續(xù)存在，許多腐蝕問題是由于違反了基本原理而導(dǎo)致的。應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂是由于材料同時(shí)承受機(jī)械應(yīng)力和腐蝕現(xiàn)象作用，而同時(shí)出現(xiàn)斷裂和腐蝕兩種機(jī)理相互影響的結(jié)果。它是由于在腐蝕發(fā)生的表面缺陷處存在應(yīng)力集中（可量化為應(yīng)力強(qiáng)度因子），當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一

27、臨界值時(shí)，機(jī)械斷裂就出現(xiàn)了。雖然在這樣的缺陷處的確存在應(yīng)力集中，但在惰性環(huán)境下，應(yīng)力是不會(huì)超過材料發(fā)生機(jī)械斷裂所需的臨界值的。所以從本質(zhì)上說，應(yīng)力腐蝕降低了材料的斷裂強(qiáng)度，這個(gè)過程是互相促進(jìn)的，也就是說，機(jī)械和化學(xué)力的共同綜合作用導(dǎo)致了裂紋的擴(kuò)展，如果只一個(gè)力單獨(dú)作用，是不會(huì)出現(xiàn)同樣的結(jié)果的。枝晶生長/枝晶生長從本質(zhì)上看就是一個(gè)電解過程。它可以通過電偏壓試驗(yàn)觀察到，試驗(yàn)中可以看到金屬從陽極區(qū)域遷移到陰極區(qū)域，并在此處形成枝晶。金屬遷移導(dǎo)致在相連區(qū)域形成漏電流，如果發(fā)生了完全相連那就形成了短路（遷移電阻短路）。雖然銀遷移的報(bào)道很多，但根據(jù)環(huán)境條件不同，許多的其它金屬如鉛、錫、鎳、金和銅都會(huì)發(fā)生遷

28、移。金屬遷移取決于：金屬、冷凝水或離子種類、電壓等的存在。首先，已知的能呈現(xiàn)金屬遷移的金屬（鉛、錫、鎳、金、銅、銀）要暴露在大氣中，由于遷移現(xiàn)象是電解過程，所以必要條件就是需要有導(dǎo)電媒介，即含有溶解性離子的水，離子種類可以是雜質(zhì)，如氯化物或腐蝕過程的產(chǎn)物，最后，需要產(chǎn)生金屬遷移的驅(qū)動(dòng)力是電位差。磨損$ h3 A  ?$ t1 o" f* 磨損是在接觸力作用下，兩個(gè)相互接觸的表面經(jīng)歷相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的材料侵蝕。磨損可以是粘附、研磨、或在液體冷卻部件上由于氣穴現(xiàn)象而導(dǎo)致冷管的液體侵蝕。磨損率通常是一種材料特性，同時(shí)它與材料硬度直接相關(guān)。對(duì)材料表面進(jìn)行處理以提高硬度，

29、并提高耐磨損性。磨損侵蝕可以導(dǎo)致材料的均勻脫落，如往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞環(huán)的磨損、噴沙或噴丸處理的除銹等。另一方面磨損侵蝕也可能是不均勻的，如齒輪表面的凹坑等。在傳送液體的管道發(fā)生的氣穴現(xiàn)象磨損可能生成非均勻的凹坑。粘附腐蝕在電子封裝中的連接器嚙合面較為常見。輻射損傷6 F. N7 r" i. ' q) 粒子輻射在航天環(huán)境如衛(wèi)星、太空船、高海拔航天器，和陸地環(huán)境如核能、粒子研究設(shè)施中較為常見。輻射損傷可分為兩種形式：a.機(jī)械失效機(jī)理；b.更為嚴(yán)重的電子損傷機(jī)理。機(jī)械失效機(jī)理是輻射脆變；電子現(xiàn)象更多的是一種不可預(yù)測(cè)的過應(yīng)力和由單個(gè)輻射離子穿過超大規(guī)模集成（）電路而產(chǎn)生的軟錯(cuò)誤。  y" # i3 K8 o$ L1 W,