失效分析 | 揭秘产品失效背后的真相 在当今科技飞速发展的时代，新能源汽车、功率模块等领域不断革新，为我们的生活带来便利与高效。但在这些领域的产品和技术应用中，失效现象时有发生。小到新能源汽车的电池故障，影响出行体验；大到功率模块失效，威胁整个电力系统稳定或引起安全事故。失效不仅阻碍行业进步，甚至可能引发严重后果。接下来，让我们深入探讨失效分析中常见的失效原因归类及其对应的失效机理。 设计缺陷 设计是产品性能和可靠性的源头，如果设计本身存在不足，就如同建造高楼没有稳固的地基。设计可能无法满足预期功能要求，例如一款手机在设计时对散热考虑不足，当长时间使用高能耗应用时，就容易因过热而出现死机、卡顿等失效现象。在工业领域，若功率模块设计时对散热结构考虑不充分，当模块高负荷运行时，产生的热量无法及时散发，就会导致芯片温度过高，性能下降甚至烧毁。 失效机理：以功率模块为例，由于散热路径设计不合理，热阻过大，热量无法有效传递到散热片。根据热传导公式：   当热阻增大，相同功率下芯片温度急剧上升，超过芯片的耐受温度，导致芯片内部的半导体材料特性发生变化，如载流子迁移率降低，进而使芯片的导通电阻增大，功耗进一步上升，形成恶性循环，最终烧毁芯片。 应力过载 产品都有其设计的承受极限，一旦在某些情况下承受超出其设计能力的应力负荷，就容易引发失效。像一辆额定载重为 5 吨的货车，若长期超载运输 8 吨甚至更重的货物，其发动机、轮胎等部件都会加速损坏，最终导致车辆无法正常运行。在新能源汽车领域，车辆在连续高速行驶、频繁急加速和急刹车时，电机和电池会承受较大的负荷，超出其设计工况，可能导致电池过热引发故障。 失效机理：新能源汽车电机过载时，电流会急剧增大。根据焦耳定律： 过大的电流会使电机绕组产生大量热量。同时，电机的反电动势会因转速变化而改变，导致电机内部磁场紊乱，进一步加剧能量损耗和发热。过高的温度会使电机绕组的绝缘材料性能下降，最终导致绝缘击穿，电机短路失效。对于电池而言，过载放电会使电池内部化学反应速率加快，产生大量气体，导致电池内部压力增大，可能引发电池鼓包甚至爆炸。 变异性影响 生产过程难以做到完全一致，这种变异性可能导致部分产品性能不稳定。在芯片制造过程中，哪怕是极其微小的工艺差异，都可能使芯片的性能出现波动，进而引发产品失效。在新能源汽车电池生产中，不同批次的电池材料和制造工艺的微小差异，可能使电池容量、内阻等参数不一致，影响电池组的整体性能。 失效机理：在电池生产中，活性物质的涂层厚度不一致是常见的变异性因素。根据电池容量公式： 涂层较薄的区域，电池的电化学反应面积较小，导致电池容量降低。此外，不同批次电池材料中杂质含量的差异，会改变电池的内阻。杂质可能在电池内部形成局部微电池，增加自放电率，同时也会影响离子在电极材料中的扩散速度，导致电池内阻增大，充放电效率降低，最终影响电池组的整体性能和寿命。 磨损老化 磨损引起的失效是指那些最初设计足够强壮的组件，由于长期使用而逐渐变弱并最终失效的过程。随着时间推移，材料和组件会因磨损而逐渐降低强度直至失去功能，如应力强度干涉模型，应力不变的情况下，材料本身的强度随时间降低。家中的水龙头，经过多年的频繁开合，内部的密封橡胶圈会逐渐磨损，导致漏水，这就是典型的磨损老化导致的失效。新能源汽车的电机电刷，在长期运行中会逐渐磨损，导致接触不良，影响电机输出功率。 失效机理：新能源汽车电机电刷与换向器长期摩擦，电刷表面的材料不断被磨损剥离。根据磨损理论： 随着电刷磨损，其与换向器的接触面积减小，接触电阻增大。根据欧姆定律，接触电阻增大导致电刷与换向器之间的电压降增大，电能损耗增加，产生大量热量，进一步加速电刷的磨损。同时，接触不良会使电机的电流波动增大，影响电机的电磁转矩稳定性，导致电机输出功率下降。...