Физика отказов — это метод, используемый в практике проектирования надежности , который использует знания и понимание процессов и механизмов, вызывающих отказ , для прогнозирования надежности и улучшения характеристик продукта.
Концепция физики отказов, также известная как физика надежности, включает использование алгоритмов деградации, которые описывают, как физические, химические, механические, тепловые или электрические механизмы развиваются с течением времени и в конечном итоге вызывают отказ. В то время как концепция физики отказов распространена во многих структурных областях, [2] конкретный брендинг возник из попытки лучше предсказать надежность электронных компонентов и систем раннего поколения.
В электронной промышленности основной движущей силой внедрения Physics of Failure была низкая производительность военных систем вооружения во время Второй мировой войны . [3] В течение последующего десятилетия Министерство обороны США профинансировало значительные усилия, направленные на повышение надежности электроники, [4] при этом первоначальные усилия были сосредоточены на постфактум или статистической методологии. [5]К сожалению, быстрое развитие электроники с новыми конструкциями, новыми материалами и новыми производственными процессами имело тенденцию быстро сводить на нет подходы и прогнозы, основанные на старых технологиях. Кроме того, статистический подход, как правило, приводил к дорогостоящему и трудоемкому тестированию. Необходимость в различных подходах привела к рождению Физики отказов в Римском центре развития авиации (RADC). [6] Под эгидой RADC в сентябре 1962 года был проведен первый симпозиум по физике отказов в электронике. [7] Целью программы было связать фундаментальное физическое и химическое поведение материалов с параметрами надежности. [8]
Первоначальное внимание физических методов отказа, как правило, ограничивалось механизмами деградации в интегральных схемах . Это произошло, прежде всего, потому, что быстрое развитие технологии создало необходимость фиксировать и прогнозировать производительность на несколько поколений раньше, чем у существующего продукта.
Одним из первых крупных успехов в прогнозирующей физике отказов стала формула [9] , разработанная Джеймсом Блэком из Motorola для описания поведения электромиграции . Электромиграция возникает, когда столкновения электронов заставляют атомы металла в проводнике смещаться и двигаться вниз по течению тока (пропорционально плотности тока ). Блэк использовал это знание в сочетании с экспериментальными данными, чтобы описать частоту отказов из-за электромиграции как
где A — постоянная, основанная на площади поперечного сечения межсоединения, J — плотность тока , Ea — энергия активации (например, 0,7 эВ для диффузии по границам зерен в алюминии), k — постоянная Больцмана , T — температура и n — коэффициент масштабирования (обычно устанавливается равным 2 по Блэку).