可靠性与失效分析综合指南

1 可靠性工程与失效分析概述

可靠性工程与失效分析是产品质量管理的两大核心支柱。可靠性（Reliability） 是指“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。它通常用平均无故障时间（MTBF）、失效率（λ） 等指标来衡量1。而失效分析（Failure Analysis） 则是产品失效后，通过一系列技术方法确定失效模式、分析失效机理、找出根本原因，并最终提出预防和改进措施的系统性过程。

它们的关系可以概括为：可靠性工程致力于“预防失效”，追求的是“零失效”目标；而失效分析则着眼于“事后诊断”，从已发生的失效中汲取教训，其成果反过来为可靠性设计和改进提供至关重要的输入，形成从“纠正”到“预防”再到“预测”的闭环质量提升体系。

2 测试目的与意义

开展可靠性与失效分析工作，主要为了实现以下几个重要目的：

发现设计缺陷，评估寿命与失效率：通过可靠性试验，如GB5080.7标准规定的验证试验，可以暴露产品因设计、材料或工艺选择不当导致的潜在故障，并在恒定失效率假设下验证产品的失效率（λ）和平均无故障时间（MTBF） 是否满足规定要求1。

定位失效根本原因，厘清责任归属：当失效发生后，失效分析通过精密解剖和微观观察，确定失效的物理化学机理，从而为产品质量纠纷、索赔提供科学、公正的技术依据。

优化设计与工艺，实现质量闭环：分析结论能有效反馈给设计和生产部门，从源头改进产品设计、优化制造工艺、提升材料品质。例如，攀枝花某企业通过失效分析发现零部件氢脆问题，不仅解决了故障，更催生了全链条工艺参数的优化升级，将热处理温度波动范围收窄了47%9。

满足标准与市场准入，降低售后成本：产品需要满足日益严格的可靠性标准和法规（如ISO, IEC, GB系列），可靠性验证报告是市场准入的“通行证”。同时，通过前期充分的测试和预防，能大幅降低市场失效率和昂贵的售后成本。

3 适用范围

可靠性与失效分析技术广泛应用于几乎所有对安全性、耐久性和功能稳定性有要求的工业领域：

电子产品与元器件：芯片、PCB/PCBA、电容、电阻、连接器、集成电路（如半导体失效分析）。

汽车与交通运输：新能源汽车三电系统、传统发动机、变速箱、车载电子系统、燃料电池堆。

航空航天与军工：机身材料、发动机零部件、飞控系统、军用装备（常遵循GJB等军标）。

能源与电力设备：氢燃料电池2、变压器、储能系统、光伏逆变器。

机械与通用零部件：轴承、齿轮、紧固件、金属结构件（如攀枝花案例中的断裂零件）。

新材料与先进制造：复合材料、合金材料、3D打印制品。

4 常用测试方法与流程

可靠性与失效分析是一个系统性的过程，其核心方法与流程可概括如下：

4.1 可靠性测试常用方法

可靠性测试的主要方法是通过施加各种环境应力和工作应力，加速暴露产品潜在的缺陷和故障模式。主要包括以下几种类型：

环境应力测试：模拟产品所处的各种自然环境，如温度循环（-40℃~80℃）、盐雾试验（5%NaCl溶液）、湿度循环（30%~90%RH）2、振动、机械冲击等。

寿命测试（耐久性测试）：模拟产品在工作状态下的老化过程，如高温寿命试验（高温下通电工作）、开关循环测试（反复开关机）。

加速寿命测试（ALT）：通过施加远超正常使用条件的应力（如更高温度、更高电压），快速激发故障，利用数学模型推算出正常使用条件下的寿命和失效率。

HALT & HASS（高加速寿命与应力筛选）：HALT用于研发阶段，通过逐级加大应力直到产品破坏来快速发现设计缺陷；HASS则用于生产阶段，基于HALT得出的应力极限对产品进行快速筛选以剔除缺陷品。

4.2 失效分析核心流程

失效分析则遵循一个严谨的、破坏性由小到大的基本流程：

信息收集与外观检查：收集失效背景，进行宏观观察（颜色、形态、位置），使用体视显微镜初步检查。

非破坏性分析：采用X-Ray查看内部结构缺陷（如空洞、裂纹、脱焊），声学扫描显微镜（C-SAM） 检测封装器件内部的分层、空洞等缺陷5。

破坏性分析（解剖与制样）：对芯片进行开封（Decapsulation），或对失效部位进行切片（Cross-Sectioning），制成可观察内部微观结构的剖面样本。

微观形貌与成分分析：

扫描电镜（SEM）：高分辨率观察断口形貌、微观裂纹、缺陷，分析断裂机理（如韧窝、解理、疲劳辉纹）。

能谱仪（EDS）：对微小区域进行元素成分定性定量分析，判断异物、腐蚀产物、成分偏析。

其他仪器：X射线衍射分析（XRD）分析材料晶体结构，电化学阻抗谱（EIS）测量接触电阻2。

机理分析与结论：综合所有数据，推断失效的物理化学过程（机理），得出关于失效模式、失效机理和根本原因的确凿结论。

四维检测是一家专业第三方实验室,专注于为客户提供产品检验、气体腐蚀和失效分析技术服务,服务领域包括电子电气、汽车零部件、新材料、教育及科研行业;四维检测分别在苏州和深圳设立了可靠性、材料分析、失效分析等多个实验室和业务。

如您需要服务，可以随时联系我们！