Физика отказов

Физика отказов — это метод, используемый в практике проектирования надежности , который использует знания и понимание процессов и механизмов, вызывающих отказы, для прогнозирования надежности и улучшения характеристик продукта.

Другие определения физики отказов включают:

Научно-обоснованный подход к надежности, который использует моделирование и симуляцию для проектирования надежности. Это помогает понять производительность системы и снизить риск принятия решений во время проектирования и после ввода оборудования в эксплуатацию. Этот подход моделирует основные причины отказов, такие как усталость , разрушение , износ и коррозия .
Подход к проектированию и разработке надежного продукта для предотвращения отказов, основанный на знании механизмов первопричин отказов. Концепция физики отказов (PoF) основана на понимании взаимосвязей между требованиями и физическими характеристиками изделия и их вариацией в технологических процессах, а также реакции элементов изделия и материалов на нагрузки (стрессоры) и взаимодействия под нагрузками. и их влияние на пригодность к использованию в зависимости от условий и времени использования. ^[1]

Обзор

Концепция физики отказов, также известная как физика надежности, предполагает использование алгоритмов деградации, которые описывают, как физические, химические, механические, тепловые или электрические механизмы развиваются с течением времени и в конечном итоге вызывают отказ.Хотя концепция физики отказов распространена во многих областях строительства, ^[2] конкретный брендинг возник в результате попытки лучше прогнозировать надежность электронных деталей и систем раннего поколения.

Начало

В электронной промышленности основной движущей силой внедрения физики отказов была низкая эффективность систем военного оружия во время Второй мировой войны . ^[3] В течение последующего десятилетия Министерство обороны США профинансировало значительные усилия, особенно направленные на повышение надежности электроники. ^[4] при этом первоначальные усилия были сосредоточены на постфактум или статистической методологии. ^[5] К сожалению, быстрая эволюция электроники с появлением новых конструкций, новых материалов и новых производственных процессов имела тенденцию быстро сводить на нет подходы и прогнозы, основанные на старых технологиях. Кроме того, статистический подход, как правило, приводил к дорогостоящему и трудоемкому тестированию. Потребность в различных подходах привела к зарождению 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]

Ранняя история - интегральные схемы

Первоначальное внимание физики отказов, как правило, ограничивалось механизмами деградации интегральных схем . Это произошло в первую очередь потому, что быстрое развитие технологии создало необходимость фиксировать и прогнозировать производительность на несколько поколений раньше, чем у существующих продуктов.

Одним из первых крупных успехов в области прогнозирующей физики отказов стала формула ^[9] разработан 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 эти знания в сочетании с экспериментальными данными, чтобы описать частоту отказов из-за электромиграции как

{\text{MTTF}}=A(J^{-n})e^{\frac {E_{\text{a}}}{kT}}

где A — константа, основанная на площади поперечного сечения межсоединения, J — плотность тока , E _a — энергия активации (например, 0,7 эВ для зернограничной диффузии в алюминии), k — постоянная Больцмана , T — температура и n — коэффициент масштабирования (по Блэку обычно устанавливается равным 2).

Физика отказов обычно предназначена для прогнозирования износа или увеличения интенсивности отказов, но этот первоначальный успех Блэка был сосредоточен на прогнозировании поведения в течение срока службы или постоянной интенсивности отказов. Это связано с тем, что электромиграция в дорожках может быть спроектирована с соблюдением правил проектирования, в то время как электромиграция в переходных отверстиях представляет собой в первую очередь межфазные эффекты, которые, как правило, обусловлены дефектами или процессом.

Используя этот успех, были разработаны дополнительные алгоритмы, основанные на физике отказов, для трех других основных механизмов деградации ( зависимый от времени пробой диэлектрика [TDDB], инжекция горячих носителей заряда [HCI] и температурная нестабильность отрицательного смещения [NBTI]) в современных интегрированных системах. схемы (уравнения показаны ниже). В более поздних работах была предпринята попытка объединить эти дискретные алгоритмы в прогноз на уровне системы. ^[10]

TDDB : τ = τo( T ) exp[ G ( T )/ εox] ^[11]где τo( T ) = 5,4 × 10 ⁻⁷ exp(− E _a / kT ), G ( T ) = 120 + 5,8/ kT , а εox — диэлектрическая проницаемость.

HCI : λ _HCI = A ₃ exp(− β / VD ) exp(− E _a / kT ) ^[12]где λ _HCI — интенсивность отказов HCI, A ₃ — эмпирический параметр подбора, β — эмпирический параметр подбора, V _D — напряжение стока, E _a — энергия активации HCI, обычно от –0,2 до –0,1 эВ, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура.

NBTI : λ = A εoxm V _T µ _p exp(− E _a / kT ) ^[13]где A определяется эмпирически путем нормализации приведенного выше уравнения, m = 2,9, V _T — тепловое напряжение, μ _p — константа поверхностной подвижности, E _a — энергия активации NBTI, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура.

Следующий этап – электронная упаковка

Ресурсы и успехи в области интегральных схем, а также обзор некоторых причин отказов в эксплуатации впоследствии побудили сообщество физиков надежности инициировать исследования физики отказов и механизмов деградации на уровне корпуса. Был выполнен обширный объем работы по разработке алгоритмов, которые могли бы точно прогнозировать надежность межсоединений. Конкретные межсоединения, представляющие интерес, находились на 1-м уровне (проволочные соединения, выступы припоя, прикрепление матрицы), 2-м уровне (паяные соединения) и 3-м уровне (металлизированные сквозные отверстия).

Подобно тому, как сообщество интегральных схем добилось четырех крупных успехов в области физики отказов на уровне кристалла, сообщество производителей компонентов добилось четырех крупных успехов в результате своей работы в 1970-х и 1980-х годах. Это были

Пек : ^[14] Прогнозирует время до разрушения соединений проводов/клеевых площадок при воздействии повышенной температуры/ влажности.

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

где A — константа, RH — относительная влажность, f ( V ) — функция напряжения (часто называемая квадратом напряжения), E _a — энергия активации, k _B — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура.

Энгельмайер : ^[15] Прогнозирует время до разрушения паяных соединений, подвергающихся циклическому изменению температуры.

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

где ε _f — коэффициент усталостной пластичности, c — константа, зависящая от времени и температуры, F — эмпирическая константа, L _D — расстояние от нейтральной точки, α — коэффициент теплового расширения, Δ T — изменение температуры, — h толщина паяного соединения.

Стейнберг : ^[16] Прогнозирует время до разрушения паяных соединений, подверженных вибрации.

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

где Z — максимальное смещение, PSD — спектральная плотность мощности ( g ²/Гц), f _n — собственная частота CCA, Q — передаточная способность (предполагается, что она равна квадратному корню из собственной частоты), Z _c — критическое смещение (20 миллионов циклов до отказа), B — длина параллельного края печатной платы. к компоненту, расположенному в центре платы, c — константа упаковки компонента, h — толщина печатной платы, r — коэффициент относительного положения, а L — длина компонента.

МПК-ТР-579 : ^[17] Прогнозирует время до разрушения металлизированных сквозных отверстий, подверженных циклическому изменению температуры.

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

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

где a — коэффициент теплового расширения (КТР), T — температура, E — упругие модули, h — толщина платы, d — диаметр отверстия, t — толщина покрытия, а E и Cu обозначают соответствующие свойства платы и меди соответственно, S _u — предел прочности на разрыв, D _f — пластичность плакированной меди, а De — диапазон деформации.

В каждом из приведенных выше уравнений используется сочетание знаний о механизмах деградации и опыта испытаний для разработки уравнений первого порядка, которые позволяют инженеру по проектированию или надежности прогнозировать время до отказа на основе информации об архитектуре проекта, материалах и среда.

Недавняя работа

Более поздние работы в области физики разрушения были сосредоточены на прогнозировании времени до разрушения новых материалов (например, бессвинцового припоя, ^[18]^[19] высококалиевый диэлектрик ^[20] ), программное обеспечение , ^[21] использование алгоритмов в прогностических целях, ^[22] и интеграция физики прогнозов отказов в расчеты надежности на уровне системы. ^[23]

Ограничения

Существуют некоторые ограничения на использование физики отказов при оценке конструкции и прогнозировании надежности. Во-первых, алгоритмы физики отказов обычно предполагают «идеальную конструкцию». Попытка понять влияние дефектов может оказаться сложной задачей и часто приводит к прогнозам по физике отказов (PoF), ограничивающимся поведением в конце срока службы (в отличие от детской смертности или полезного срока службы). Кроме того, в некоторых компаниях используется так много сред (например, персональные компьютеры), что выполнение оценки PoF для каждой потенциальной комбинации температуры/вибрации/влажности/ циклического включения /выключения питания и т. д. было бы обременительным и потенциально имело бы ограниченную ценность.

См. также

Ссылки

^ JEDEC JEP148, апрель 2004 г., Квалификация надежности полупроводниковых устройств на основе физики отказов, риска и оценки возможностей.
^ http://www.iagtcommittee.com/downloads/08-3-1%20Prakash%20Patnaik%20-%20Life%20Evaluation%20and%20Extension%20Program.pdf , Срок службы материалов/компонентов газовых турбинПрограммы оценки и повышения квалификации, д-р Пракаш Патнаик, директор SMPL, Национальный исследовательский совет Канады, Институт аэрокосмических исследований, Оттава, Канада, 21 октября 2008 г.
^ http://theriac.org/DeskReference/PDFs/2011Q1/2011Q1-article2.pdf , Краткая история надежности.
^ Р. Люссер, Ненадежность электроники - причина и лечение, Redstone Arsenal, Хантсвилл, Алабама, Документ DTIC
^ Дж. Шпигель и Э.М. Беннетт, Надежность военной системы: вклад Министерства обороны, Транзакции IRE по надежности и контролю качества, декабрь 1960 г., Том: RQC-9, выпуск: 3
^ Джордж Х. Эбель, Физика надежности в электронике: исторический взгляд, ТРАНЗАКЦИИ IEEE ПО НАДЕЖНОСТИ, ТОМ 47, NO. 3-СП 1998 СЕНТЯБРЬ СП-379
^ В конечном итоге это перерастет в нынешний Международный симпозиум по физике надежности (IRPS).
^ Ваккаро «Надежность и физика отказов программы в RADC», Физика отказов в электронике, 1963, стр. 4–10; Спартанец.
^ Джеймс Блэк, Массовый перенос алюминия путем обмена импульсом с проводящими электронами, 6-й ежегодный симпозиум по физике надежности, ноябрь 1967 г.
^ http://www.dfrsolutions.com/uploads/publications/ICWearout_Paper.pdf , Э. Вирвас, Л. Кондра и А. Хава, Точный количественный подход физики отказов к надежности интегральных схем, IPC APEX Expo, Лас Вегас, Невада, апрель 2011 г.
^ Шуграф и Ху, «Модель разрушения оксида затвора», IEEE Trans. Электронное развитие, май 1994 г.
^ Такеда, Э. Сузуки, Н. «Эмпирическая модель деградации устройства из-за впрыска горячих носителей», IEEE Electron Device Letters, Том 4, номер 4, 1983, стр. 111–113.
^ Чен, Ю. Ф. Линь, М. Х. Чжоу, Ч. Чанг, В. К. Хуанг, С. К. Чанг, Ю. Дж. Фу, Кентукки «Температурная нестабильность с отрицательным смещением (NBTI) в глубоких субмикронных p+-затворных пМОП-транзисторах», Итоговый отчет IRW 2000 г., стр. 98-101
^ Пек, Д.С.; «Новые опасения по поводу надежности интегральных схем», Electron Devices, IEEE Transactions on, vol. 26, нет. 1, стр. 38–43, январь 1979 г.
^ Энгельмайер, В.; «Усталостный срок службы паяных соединений безвыводных держателей чипа во время циклического включения и выключения», «Компоненты, гибриды и технологии производства», IEEE Transactions on, vol. 6, нет. 3, стр. 232–237, сентябрь 1983 г.
^ Д.С. Стейнберг, Анализ вибрации электронного оборудования, John Wiley & Sons Inc., Нью-Йорк, первое изд. 1973, второе изд. 1988, третье изд. 2000 г.
^ IPC-TR-579, Круговая оценка надежности сквозных отверстий малого диаметра в печатных монтажных платах, сентябрь 1988 г.
^ http://www.dfrsolutions.com/uploads/publications/2006_Blattau_IPC_working.pdf , Н. Блаттау и К. Хиллман «Модель Энгельмайера для безвыводных керамических чипов с припоем, не содержащим свинца», J. Reliab. Инф. Анальный. Центр., том. Первый квартал, с. 7, 2007.
^ О. Салмела, К. Андерссон, А. Перттула, Дж. Саркка и М. Тамменмаа «Модифицированная модель Энгельмайера с учетом различных уровней стресса», Микроэлектрон. Достоверно., т. 1, с. 48, с. 773, 2008 г.
^ Рагхаван, Н.; Прасад, К.; «Статистический взгляд на физику разрушения при пробое внутриметаллического диэлектрика меди с низким коэффициентом k», Симпозиум по физике надежности, 2009 г. IEEE International, том, №, стр. 819–824, 26–30 апреля 2009 г.
^ Буковски, СП; Джонсон, Д.А.; Гобл, В.М.; «Обратная связь по надежности программного обеспечения: подход физики отказов», Симпозиум по надежности и ремонтопригодности, 1992. Труды, Ежегодник, том, №, стр. 285–289, 21–23 января 1992 г.
^ NASA.gov Прогностический центр передового опыта НАСА
^ http://www.dfrsolutions.com/uploads/publications/2010_01_RAMS_Paper.pdf , Маклиш, Дж. Г.; «Улучшение прогнозов надежности MIL-HDBK-217 с помощью методов физики отказов», Симпозиум по надежности и ремонтопригодности (RAMS), 2010 г., Труды - Ежегодник, том, №, стр. 1–6, 25–28 января 2010 г.

[1] JEDEC JEP148, апрель 2004 г., Квалификация надежности полупроводниковых устройств на основе физики отказов, риска и оценки возможностей.

[2] ttp://www.iagtcommittee.com/downloads/08-3-1%20Prakash%20Patnaik%20-%20Life%20Evaluation%20and%20Extension%20Program.pdf , Срок службы материалов/компонентов газовых турбинПрограммы оценки и повышения квалификации, д-р Пракаш Патнаик, директор SMPL, Национальный исследовательский совет Канады, Институт аэрокосмических исследований, Оттава, Канада, 21 октября 2008 г.

[3] ttp://theriac.org/DeskReference/PDFs/2011Q1/2011Q1-article2.pdf , Краткая история надежности.

[4] Р. Люссер, Ненадежность электроники - причина и лечение, Redstone Arsenal, Хантсвилл, Алабама, Документ DTIC

[5] Дж. Шпигель и Э.М. Беннетт, Надежность военной системы: вклад Министерства обороны, Транзакции IRE по надежности и контролю качества, декабрь 1960 г., Том: RQC-9, выпуск: 3

[6] Джордж Х. Эбель, Физика надежности в электронике: исторический взгляд, ТРАНЗАКЦИИ IEEE ПО НАДЕЖНОСТИ, ТОМ 47, NO. 3-СП 1998 СЕНТЯБРЬ СП-379

[7] В конечном итоге это перерастет в нынешний Международный симпозиум по физике надежности (IRPS).

[8] Ваккаро «Надежность и физика отказов программы в RADC», Физика отказов в электронике, 1963, стр. 4–10; Спартанец.

[9] Джеймс Блэк, Массовый перенос алюминия путем обмена импульсом с проводящими электронами, 6-й ежегодный симпозиум по физике надежности, ноябрь 1967 г.

[10] ttp://www.dfrsolutions.com/uploads/publications/ICWearout_Paper.pdf , Э. Вирвас, Л. Кондра и А. Хава, Точный количественный подход физики отказов к надежности интегральных схем, IPC APEX Expo, Лас Вегас, Невада, апрель 2011 г.

[11] Шуграф и Ху, «Модель разрушения оксида затвора», IEEE Trans. Электронное развитие, май 1994 г.

[12] Такеда, Э. Сузуки, Н. «Эмпирическая модель деградации устройства из-за впрыска горячих носителей», IEEE Electron Device Letters, Том 4, номер 4, 1983, стр. 111–113.

[13] Чен, Ю. Ф. Линь, М. Х. Чжоу, Ч. Чанг, В. К. Хуанг, С. К. Чанг, Ю. Дж. Фу, Кентукки «Температурная нестабильность с отрицательным смещением (NBTI) в глубоких субмикронных p+-затворных пМОП-транзисторах», Итоговый отчет IRW 2000 г., стр. 98-101

[14] Пек, Д.С.; «Новые опасения по поводу надежности интегральных схем», Electron Devices, IEEE Transactions on, vol. 26, нет. 1, стр. 38–43, январь 1979 г.

[15] Энгельмайер, В.; «Усталостный срок службы паяных соединений безвыводных держателей чипа во время циклического включения и выключения», «Компоненты, гибриды и технологии производства», IEEE Transactions on, vol. 6, нет. 3, стр. 232–237, сентябрь 1983 г.

[16] Д.С. Стейнберг, Анализ вибрации электронного оборудования, John Wiley & Sons Inc., Нью-Йорк, первое изд. 1973, второе изд. 1988, третье изд. 2000 г.

[17] IPC-TR-579, Круговая оценка надежности сквозных отверстий малого диаметра в печатных монтажных платах, сентябрь 1988 г.

[18] ttp://www.dfrsolutions.com/uploads/publications/2006_Blattau_IPC_working.pdf , Н. Блаттау и К. Хиллман «Модель Энгельмайера для безвыводных керамических чипов с припоем, не содержащим свинца», J. Reliab. Инф. Анальный. Центр., том. Первый квартал, с. 7, 2007.

[19] О. Салмела, К. Андерссон, А. Перттула, Дж. Саркка и М. Тамменмаа «Модифицированная модель Энгельмайера с учетом различных уровней стресса», Микроэлектрон. Достоверно., т. 1, с. 48, с. 773, 2008 г.

[20] Рагхаван, Н.; Прасад, К.; «Статистический взгляд на физику разрушения при пробое внутриметаллического диэлектрика меди с низким коэффициентом k», Симпозиум по физике надежности, 2009 г. IEEE International, том, №, стр. 819–824, 26–30 апреля 2009 г.

[21] Буковски, СП; Джонсон, Д.А.; Гобл, В.М.; «Обратная связь по надежности программного обеспечения: подход физики отказов», Симпозиум по надежности и ремонтопригодности, 1992. Труды, Ежегодник, том, №, стр. 285–289, 21–23 января 1992 г.

[22] NASA.gov Прогностический центр передового опыта НАСА

[23] ttp://www.dfrsolutions.com/uploads/publications/2010_01_RAMS_Paper.pdf , Маклиш, Дж. Г.; «Улучшение прогнозов надежности MIL-HDBK-217 с помощью методов физики отказов», Симпозиум по надежности и ремонтопригодности (RAMS), 2010 г., Труды - Ежегодник, том, №, стр. 1–6, 25–28 января 2010 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]