Misslyckandets fysik

Fysik av misslyckande är en teknik under praktiken av tillförlitlighetsdesign som utnyttjar kunskapen och förståelsen av de processer och mekanismer som framkallar misslyckande med att förutsäga tillförlitlighet och förbättra produktens prestanda.

Andra definitioner av Physics of Failure inkluderar:

En vetenskapsbaserad metod för tillförlitlighet som använder modellering och simulering för att designa in tillförlitlighet. Det hjälper till att förstå systemets prestanda och minska beslutsrisken under design och efter att utrustningen har ställts på plats. Detta tillvägagångssätt modellerar grundorsakerna till fel som trötthet , brott , slitage och korrosion .
Ett tillvägagångssätt för design och utveckling av pålitliga produkter för att förhindra fel, baserat på kunskapen om grundorsaksfelmekanismer. Konceptet Physics of Failure (PoF) bygger på förståelsen av sambanden mellan krav och produktens fysiska egenskaper och deras variation i tillverkningsprocesserna, och produktelements och materials reaktion på belastningar (stressorer) och interaktion under belastning och deras inverkan på lämpligheten för användning med avseende på användningsförhållandena och tiden.

Översikt

Begreppet fysik av misslyckande, även känt som tillförlitlighetsfysik, involverar användningen av nedbrytningsalgoritmer som beskriver hur fysiska, kemiska, mekaniska, termiska eller elektriska mekanismer utvecklas över tiden och så småningom framkallar fel. Medan konceptet fysik av misslyckande är vanligt inom många strukturella områden, utvecklades det specifika varumärket från ett försök att bättre förutsäga tillförlitligheten hos den tidiga generationens elektroniska delar och system.

Början

Inom elektronikindustrin var den huvudsakliga drivkraften för implementeringen av Physics of Failure den dåliga prestandan för militära vapensystem under andra världskriget . Under det efterföljande decenniet USA:s försvarsdepartement ett omfattande arbete för att särskilt förbättra elektronikens tillförlitlighet, med de första ansträngningarna fokuserade på efterhand eller statistisk metodik. Tyvärr tenderade den snabba utvecklingen av elektronik, med ny design, nya material och nya tillverkningsprocesser, att snabbt förneka tillvägagångssätt och förutsägelser som härrör från äldre teknik. Dessutom tenderade det statistiska tillvägagångssättet att leda till dyra och tidskrävande tester. Behovet av olika tillvägagångssätt ledde till födelsen av fysik av misslyckande vid Rome Air Development Center ( RADC). Under RADC:s överinseende hölls det första fysiksymposiet om misslyckande i elektronik i september 1962. Målet med programmet var att relatera det grundläggande fysiska och kemiska beteendet hos material till tillförlitlighetsparametrar.

Tidig historia – integrerade kretsar

Det initiala fokuset för felfysiktekniker tenderade att begränsas till nedbrytningsmekanismer i integrerade kretsar . Detta berodde främst på att den snabba utvecklingen av tekniken skapade ett behov av att fånga och förutsäga prestanda flera generationer före befintlig produkt.

En av de första stora framgångarna under prediktiv misslyckandefysik var en formel utvecklad av James Black från Motorola för att beskriva beteendet hos elektromigrering . Elektromigrering inträffar när kollisioner av elektroner gör att metallatomer i en ledare lossnar och rör sig nedströms strömflödet (proportionellt mot strömtätheten) . Black använde denna kunskap, i kombination med experimentella fynd, för att beskriva felfrekvensen på grund av elektromigration som

MTTF=A(J^{-n})e^{\frac {Ea}{kT}}

där A är en konstant baserad på sammankopplingens tvärsnittsarea, J är strömtätheten, Ea är aktiveringsenergin (t.ex. 0,7 eV för korngränsdiffusion i aluminium), k är Boltzmann-konstanten , T är temperaturen och n är en skalningsfaktor (vanligtvis satt till 2 enligt Black).

Fysik av misslyckande är typiskt utformad för att förutsäga slitage eller en ökande felfrekvens, men denna initiala framgång av Black fokuserade på att förutsäga beteende under operativ livslängd, eller en konstant felfrekvens. Detta beror på att elektromigration i spår kan utformas genom att följa designregler, medan elektromigration vid vias primärt är gränssnittseffekter, som tenderar att vara defekta eller processdrivna.

Genom att utnyttja denna framgång har ytterligare fysikbaserade algoritmer tagits fram för de tre andra stora nedbrytningsmekanismerna (tidsberoende dielektrisk nedbrytning [TDDB], varmbärarinjektion [HCI] och negativ bias temperaturinstabilitet [NBTI]) i modern integrerad kretsar (ekvationer visas nedan). Nyare arbete har försökt aggregera dessa diskreta algoritmer till en förutsägelse på systemnivå.

TDDB: τ = τo(T) exp[ G(T)/ εox] där τo(T) = 5,4*10-7 exp(-Ea/kT), G(T) = 120 + 5,8/kT, och εox är permittiviteten.

HCI: λHCI = A3 exp(-β/VD)exp(-Ea / kT) där λHCI är felfrekvensen för HCI, A3 är en empirisk passningsparameter, β är en empirisk passningsparameter, VD är dräneringsspänningen, Ea är aktiveringsenergin för HCI, typiskt −0,2 till −0,1 eV, k är Boltzmanns konstant, och T är temperaturen i Kelvin .

NBTI: λ = A εoxm VTμp exp( -Ea / kT) där A bestäms empiriskt genom att normalisera ovanstående ekvation, m = 2,9, VT är den termiska spänningen, μP är ytmobilitetskonstanten, Ea är aktiveringsenergin för NBTI, ki s Boltzmanns konstant, och T är temperaturen i Kelvin

Nästa steg – Elektronisk förpackning

Resurserna och framgångarna med integrerade kretsar, och en genomgång av några av drivkrafterna för fältfel, motiverade därefter tillförlitlighetsfysikgemenskapen att initiera undersökningar av felfysik i nedbrytningsmekanismer på paketnivå. En omfattande mängd arbete utfördes för att utveckla algoritmer som exakt kunde förutsäga tillförlitligheten hos sammankopplingar. Specifika sammankopplingar av intresse fanns på 1:a nivån (trådbindningar, lodbullar, stansfäste), 2:a nivån (lödfogar) och 3:e nivån (pläterade genomgående hål).

Precis som den integrerade kretsgemenskapen hade fyra stora framgångar med fysik av misslyckande på stansnivå, hade komponentförpackningsgemenskapen fyra stora framgångar som härrörde från deras arbete på 1970- och 1980-talen. Dessa var

Peck : Förutsäger tid till fel på trådbindnings-/bondpadanslutningar när de utsätts för förhöjd temperatur/ fuktighet

TTF=A_{0}(RH)^{-2.7}f(V)\exp \left( {\frac {E_{a}}{K_{B}T}}\right)

där A är en konstant, RH är den relativa luftfuktigheten, f ( V ) är en spänningsfunktion (ofta citerad som spänning i kvadrat), E _a är aktiveringsenergin, K _B är Boltzmanns konstant och T är temperatur i Kelvin .

Engelmaier : Förutsäger tiden till fel på lödfogar som utsätts för temperaturcykler

N_{f}(50\%) ={\frac {1}{2}}\left[{\frac {2\epsilon '_{f}}{\Delta D}}\right]^{\frac {-1}{c}}\quad \Delta D({\text{leadless}})=\left[{\frac {FL_{D}\Delta (\alpha \Delta T)}{h}}\right]

där ε _f är en utmattningsduktilitetskoefficient, c är en tids- och temperaturberoende konstant, F är en empirisk konstant, L _D är avståndet från neutralpunkten, α är termisk expansionskoefficient, Δ T är temperaturförändringen, och h är lödfogens tjocklek.

Steinberg : Förutsäger tiden till brott av lödfogar utsatta för vibrationer

Z_{0}={\frac {9.8\times 3{\sqrt {\ pi /2\times PSD\times f_{n}\times Q}}}{f_{n}^{2}}}\quad Z_{c}={\frac {0.00022B}{chr{\sqrt {L }}}}

där Z är maximal förskjutning, PSD är den spektrala effekttätheten (g ² /Hz), f _n Zc _är den naturliga frekvensen för CCA, Q är överföringsförmåga (antas vara kvadratroten av naturlig frekvens), är den kritiska förskjutningen ( 20 miljoner cykler till fel), B är längden på PCB-kanten parallell med komponenten i mitten av kortet, c är en komponentförpackningskonstant, h är PCB-tjockleken, r är en relativ positionsfaktor och L är komponentlängden.

IPC-TR-579 : Förutsäger tid till fel i pläterade genomgående hål som utsätts för temperaturcykler

\sigma ={\frac {(\alpha _ {E}-\alpha _{Cu})\Delta TA_{E}E_{E}E_{Cu}}{A_{E}E_{E}+A_{Cu}E_{Cu}}},\quad { \text{för }}\sigma \leq S_{Y}

N_{f}^{-0.6}D_{f}^{0.75}+0.9{\frac {S_{u}}{E}}\left[{\frac {\exp(D_{f})}{0.36 }}\right]^{0.1785\log {\frac {10^{5}}{N_{f}}}}-\Delta \epsilon =0

där a är termisk expansionskoefficient (CTE), T är temperatur, E är elastiska moduler, h är skivans tjocklek, d är håldiameter, t är plätering tjocklek och E och Cu motsvarar kartong- respektive kopparegenskaper, S _u är den ultimata draghållfastheten och Df _De är duktiliteten hos den pläterade kopparn, och är töjningsintervallet.

Var och en av ekvationerna ovan använder en kombination av kunskap om nedbrytningsmekanismerna och testerfarenhet för att utveckla första ordningens ekvationer som gör det möjligt för design- eller tillförlitlighetsingenjören att kunna förutsäga tid till felbeteende baserat på information om designarkitekturen, materialen och miljö.

Senaste arbete

Senare arbete inom området för misslyckande fysik har fokuserat på att förutsäga tiden till misslyckande för nya material (dvs. blyfritt lod, hög-K-dielektrik), mjukvaruprogram, använda algoritmerna för prognostiska syften och att integrera fysik av felförutsägelser i tillförlitlighetsberäkningar på systemnivå.

Begränsningar

Det finns vissa begränsningar med användningen av fysik för misslyckande i designbedömningar och tillförlitlighetsförutsägelser. Den första är felfysikalgoritmer som vanligtvis antar en "perfekt design". Att försöka förstå påverkan av defekter kan vara utmanande och leder ofta till Physics of Failure (PoF) förutsägelser begränsade till beteende vid livets slut (i motsats till spädbarnsdödlighet eller användbar livslängd). Dessutom har vissa företag så många användningsmiljöer (tänk persondatorer) att det skulle vara betungande och potentiellt av begränsat värde att utföra en PoF-bedömning för varje potentiell kombination av temperatur/vibration/fuktighet/ strömcykling /etc.

Se även