Physics of failure
ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞান হল নির্ভরযোগ্যতার নকশার অনুশীলনের অধীনে একটি কৌশল যা নির্ভরযোগ্যতার পূর্বাভাস দিতে এবং পণ্যের কার্যকারিতা উন্নত করতে ব্যর্থতা প্ররোচিত করে এমন প্রক্রিয়া এবং প্রক্রিয়াগুলির জ্ঞান এবং বোঝার সুবিধা দেয়। ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের অন্যান্য সংজ্ঞাগুলির মধ্যে রয়েছেঃ নির্ভরযোগ্যতার জন্য একটি বিজ্ঞান-ভিত্তিক পদ্ধতি যা নির্ভরযোগ্যতার নকশা তৈরি করতে মডেলিং এবং অনুকরণ ব্যবহার করে। এটি সিস্টেমের কার্যকারিতা বুঝতে এবং নকশার সময় এবং সরঞ্জামগুলি মাঠে নামানোর পরে সিদ্ধান্ত নেওয়ার ঝুঁকি কমাতে সহায়তা করে। এই পদ্ধতিটি ক্লান্তি, ফ্র্যাকচার, পরিধান এবং ক্ষয়ের মতো ব্যর্থতার মূল কারণগুলির মডেল তৈরি করে। ব্যর্থতার মূল কারণের জ্ঞানের উপর ভিত্তি করে ব্যর্থতা রোধ করার জন্য নির্ভরযোগ্য পণ্যের নকশা এবং বিকাশের একটি পদ্ধতি। ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞান (পি. ও. এফ) ধারণাটি পণ্যের প্রয়োজনীয়তা এবং শারীরিক বৈশিষ্ট্য এবং উৎপাদন প্রক্রিয়াগুলিতে তাদের বৈচিত্র্যের মধ্যে সম্পর্ক বোঝার উপর ভিত্তি করে এবং পণ্য উপাদান এবং উপকরণগুলির লোড (স্ট্রেসার) এবং লোডের অধীনে মিথস্ক্রিয়ার প্রতিক্রিয়া এবং ব্যবহারের শর্ত এবং সময়ের সাপেক্ষে ব্যবহারের জন্য যোগ্যতার উপর তাদের প্রভাবের উপর ভিত্তি করে। ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের ধারণা, যা নির্ভরযোগ্যতা পদার্থবিজ্ঞান নামেও পরিচিত, তা অবক্ষয় অ্যালগরিদমের ব্যবহারকে জড়িত করে যা বর্ণনা করে যে কীভাবে শারীরিক, রাসায়নিক, যান্ত্রিক, তাপীয় বা বৈদ্যুতিক প্রক্রিয়াগুলি সময়ের সাথে সাথে বিকশিত হয় এবং শেষ পর্যন্ত ব্যর্থতা প্ররোচিত করে। যদিও ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের ধারণাটি অনেক কাঠামোগত ক্ষেত্রে প্রচলিত, তবে নির্দিষ্ট ব্র্যান্ডিং প্রাথমিক প্রজন্মের বৈদ্যুতিন যন্ত্রাংশ এবং সিস্টেমগুলির নির্ভরযোগ্যতার আরও ভাল ভবিষ্যদ্বাণী করার প্রচেষ্টা থেকে বিকশিত হয়েছিল। ইলেকট্রনিক্স শিল্পের মধ্যে, ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞান বাস্তবায়নের প্রধান চালিকাশক্তি ছিল দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের সময় সামরিক অস্ত্র ব্যবস্থার দুর্বল কর্মক্ষমতা। পরবর্তী দশকে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের প্রতিরক্ষা বিভাগ বিশেষত ইলেকট্রনিক্সের নির্ভরযোগ্যতা উন্নত করার জন্য ব্যাপক পরিমাণে অর্থায়ন করেছিল, প্রাথমিক প্রচেষ্টাগুলি সত্য-পরবর্তী বা পরিসংখ্যানগত পদ্ধতির উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। দুর্ভাগ্যবশত, নতুন নকশা, নতুন উপকরণ এবং নতুন উৎপাদন প্রক্রিয়া সহ ইলেকট্রনিক্সের দ্রুত বিবর্তন, পুরানো প্রযুক্তি থেকে প্রাপ্ত পন্থা এবং ভবিষ্যদ্বাণীগুলিকে দ্রুত অস্বীকার করার প্রবণতা দেখায়। উপরন্তু, পরিসংখ্যানগত পদ্ধতি ব্যয়বহুল এবং সময়সাপেক্ষ পরীক্ষার দিকে পরিচালিত করে। বিভিন্ন পদ্ধতির প্রয়োজনীয়তার ফলে রোম এয়ার ডেভেলপমেন্ট সেন্টারে (আর. এ. ডি. সি) ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের জন্ম হয়। আর. এ. ডি. সি-র তত্ত্বাবধানে, 1962 সালের সেপ্টেম্বরে ইলেকট্রনিক্স সিম্পোজিয়ামে ব্যর্থতার প্রথম পদার্থবিজ্ঞান অনুষ্ঠিত হয়। এই কর্মসূচির লক্ষ্য ছিল উপকরণের মৌলিক ভৌত ও রাসায়নিক আচরণকে নির্ভরযোগ্যতার মাপকাঠির সঙ্গে যুক্ত করা। প্রাথমিক ইতিহাস-ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট ব্যর্থতা কৌশলগুলির পদার্থবিজ্ঞানের প্রাথমিক ফোকাস ইন্টিগ্রেটেড সার্কিটগুলিতে অবক্ষয় প্রক্রিয়াগুলির মধ্যে সীমাবদ্ধ ছিল। এটি মূলত ছিল কারণ প্রযুক্তির দ্রুত বিবর্তন বিদ্যমান পণ্যের কয়েক প্রজন্ম আগে কর্মক্ষমতা ক্যাপচার এবং ভবিষ্যদ্বাণী করার প্রয়োজনীয়তা তৈরি করেছিল। ব্যর্থতার ভবিষ্যদ্বাণীমূলক পদার্থবিজ্ঞানের অধীনে প্রথম প্রধান সাফল্যগুলির মধ্যে একটি ছিল মোটোরোলার জেমস ব্ল্যাক দ্বারা বৈদ্যুতিন স্থানান্তরের আচরণ বর্ণনা করার জন্য তৈরি একটি সূত্র। বৈদ্যুতিন স্থানান্তর ঘটে যখন ইলেকট্রনগুলির সংঘর্ষের ফলে একটি পরিবাহীতে ধাতব পরমাণুগুলি বিচ্ছিন্ন হয়ে যায় এবং বর্তমান প্রবাহের (বর্তমান ঘনত্বের আনুপাতিক) নীচের দিকে চলে যায়। কালো এই জ্ঞান ব্যবহার করে, পরীক্ষামূলক ফলাফলের সংমিশ্রণে, বৈদ্যুতিন স্থানান্তরের কারণে ব্যর্থতার হার বর্ণনা করতে যেখানে A আন্তঃসংযোগের ক্রস-বিভাগীয় ক্ষেত্রের উপর ভিত্তি করে একটি ধ্রুবক, J হল বর্তমান ঘনত্ব, Ea হল সক্রিয়করণ শক্তি (যেমন। অ্যালুমিনিয়ামে শস্যের সীমানা বিস্তারের জন্য 0.7 eV), k হল বোল্টজম্যান ধ্রুবক, T হল তাপমাত্রা এবং n হল একটি স্কেলিং ফ্যাক্টর (সাধারণত কালো অনুযায়ী 2-এ সেট করা হয়)। ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞান সাধারণত ক্ষয় বা ক্রমবর্ধমান ব্যর্থতার হারের পূর্বাভাস দেওয়ার জন্য ডিজাইন করা হয়, তবে ব্ল্যাকের এই প্রাথমিক সাফল্য কার্যকরী জীবনের সময় আচরণের পূর্বাভাস বা একটি ধ্রুবক ব্যর্থতার হারের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। এর কারণ হল ট্রেসগুলিতে বৈদ্যুতিন স্থানান্তর নকশার নিয়মগুলি অনুসরণ করে ডিজাইন করা যেতে পারে, অন্যদিকে ভায়াসে বৈদ্যুতিন স্থানান্তর প্রাথমিকভাবে আন্তঃমুখীয় প্রভাব, যা ত্রুটি বা প্রক্রিয়া-চালিত হতে থাকে। এই সাফল্যকে কাজে লাগিয়ে, আধুনিক ইন্টিগ্রেটেড সার্কিটগুলিতে (নীচে দেখানো সমীকরণ) আরও তিনটি প্রধান অবক্ষয় প্রক্রিয়া (সময় নির্ভর অস্তরক ভাঙ্গন [টিডিডিবি], গরম বাহক ইনজেকশন [এইচসিআই] এবং নেতিবাচক পক্ষপাত তাপমাত্রার অস্থিরতা [এনবিটিআই])-এর জন্য অতিরিক্ত পদার্থবিজ্ঞান-ভিত্তিক অ্যালগরিদম তৈরি করা হয়েছে। আরও সাম্প্রতিক কাজগুলি এই বিচ্ছিন্ন অ্যালগরিদমগুলিকে একটি সিস্টেম-স্তরের ভবিষ্যদ্বাণীতে একত্রিত করার চেষ্টা করেছে। TDDB: τ = τo (T) exp [G (T)/εox] যেখানে τo (T) = 5.4 * 10-7 exp (-Ea/kT), G (T) = 120 + 5.8/kT, এবং εox হল পারমিটটিভিটি। এইচ. সি. আইঃ λ. এইচ. সি. আই = এ3 এক্সপ (-β/VD) এক্সপ (-Ea/kT) যেখানে λ. এইচ. সি. আই হল এইচ. সি. আই-এর ব্যর্থতার হার, এ3 একটি অভিজ্ঞতাগত ফিটিং প্যারামিটার, β একটি অভিজ্ঞতাগত ফিটিং প্যারামিটার, ভি. ডি হল ড্রেন ভোল্টেজ, ই. এ হল এইচ. সি. আই-এর সক্রিয়করণ শক্তি, সাধারণত − 0.2 থেকে − <আই. ডি1>, কে হল বোল্টজম্যানের ধ্রুবক, এবং টি হল কেলভিনের তাপমাত্রা। এন. বি. টি. আইঃ λ = এ εoxm ভি. টি. এম. পি এক্সপ (-ই. এ/কে. টি) যেখানে উপরের সমীকরণটিকে স্বাভাবিক করে অভিজ্ঞতাগতভাবে এ নির্ধারণ করা হয়, এম = 2.9, ভি. টি হল তাপীয় ভোল্টেজ, এম. পি হল পৃষ্ঠের গতিশীলতা ধ্রুবক, ই. এ হল এন. বি. টি. আই-এর সক্রিয়করণ শক্তি, কে. আই. এস বোল্টজম্যানের ধ্রুবক, এবং টি হল কেলভিনের পরবর্তী পর্যায়ে তাপমাত্রা-বৈদ্যুতিন প্যাকেজিং সমন্বিত বর্তনীগুলির সাথে সম্পদ এবং সাফল্য, এবং ক্ষেত্র ব্যর্থতার কিছু চালকের পর্যালোচনা, পরবর্তীকালে নির্ভরযোগ্যতা পদার্থবিজ্ঞান সম্প্রদায়কে প্যাকেজ-স্তরের অবক্ষয় প্রক্রিয়াগুলিতে ব্যর্থতার তদন্তের পদার্থবিজ্ঞান শুরু করতে অনুপ্রাণিত করে। আন্তঃসংযোগের নির্ভরযোগ্যতা সঠিকভাবে অনুমান করতে পারে এমন অ্যালগরিদমগুলি বিকাশের জন্য ব্যাপক পরিমাণে কাজ করা হয়েছিল। আগ্রহের নির্দিষ্ট আন্তঃসংযোগগুলি 1ম স্তরে (ওয়্যার বন্ড, সোল্ডার বাম্পস, ডাই অ্যাটাচ), 2য় স্তরে (সোল্ডার জয়েন্ট) এবং 3য় স্তরে (গর্তের মাধ্যমে ধাতুপট্টাবৃত) থাকে। ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট কমিউনিটি যেমন ডাই-স্তরে ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের ক্ষেত্রে চারটি বড় সাফল্য পেয়েছিল, তেমনই 1970 এবং 1980-এর দশকে কম্পোনেন্ট প্যাকেজিং কমিউনিটি তাদের কাজ থেকে চারটি বড় সাফল্য পেয়েছিল। এগুলি ছিল পেকঃ উচ্চতর তাপমাত্রা/আর্দ্রতার সংস্পর্শে আসার সময় তারের বন্ধন/বন্ড প্যাড সংযোগগুলির ব্যর্থতার সময়ের পূর্বাভাস দেয় যেখানে A একটি ধ্রুবক, RH হল আপেক্ষিক আর্দ্রতা, f (V) একটি ভোল্টেজ ফাংশন (প্রায়শই ভোল্টেজ বর্গ হিসাবে উল্লেখ করা হয়), Ea হল সক্রিয়করণ শক্তি, KB হল বোল্টজম্যানের ধ্রুবক, এবং T হল কেলভিনের তাপমাত্রা। এঙ্গেলমেয়ারঃ তাপমাত্রা সাইক্লিংয়ের সংস্পর্শে সোল্ডার জয়েন্টগুলির ব্যর্থতার সময়ের পূর্বাভাস দেয় যেখানে εf একটি ক্লান্তি নমনীয়তা সহগ, c একটি সময় এবং তাপমাত্রা নির্ভর ধ্রুবক, F একটি পরীক্ষামূলক ধ্রুবক, LD হল নিরপেক্ষ বিন্দু থেকে দূরত্ব, α হল তাপ সম্প্রসারণের সহগ, ΔT হল তাপমাত্রার পরিবর্তন, এবং h হল সোল্ডার জয়েন্টের পুরুত্ব। স্টাইনবার্গঃ কম্পনের সংস্পর্শে আসা সোল্ডার জয়েন্টগুলির ব্যর্থতার সময়ের পূর্বাভাস দেয় যেখানে জেড সর্বাধিক স্থানচ্যুতি, পিএসডি হল শক্তি বর্ণালী ঘনত্ব (জি2/এইচজেড), এফএন হল সিসিএর প্রাকৃতিক ফ্রিকোয়েন্সি, কিউ হল সংক্রমণযোগ্যতা (প্রাকৃতিক ফ্রিকোয়েন্সির বর্গমূল হিসাবে ধরে নেওয়া হয়), জেডসি হল সমালোচনামূলক স্থানচ্যুতি (ব্যর্থতার জন্য 20 মিলিয়ন চক্র), বি হল বোর্ডের কেন্দ্রে অবস্থিত উপাদানের সমান্তরাল পিসিবি প্রান্তের দৈর্ঘ্য, সি হল একটি উপাদান প্যাকেজিং ধ্রুবক, এইচ হল পিসিবি বেধ, আর একটি আপেক্ষিক অবস্থান ফ্যাক্টর এবং এল হল উপাদান দৈর্ঘ্য। আইপিসি-টিআর-579: তাপমাত্রা সাইক্লিংয়ের সংস্পর্শে থাকা ছিদ্রগুলির মাধ্যমে ধাতুপট্টাবৃত ছিদ্রগুলির ব্যর্থতার সময়কালের পূর্বাভাস দেয় যেখানে a তাপীয় সম্প্রসারণের (সিটিই) সহগ, টি হল তাপমাত্রা, ই হল স্থিতিস্থাপক মডিউল, এইচ হল বোর্ডের পুরুত্ব, ডি হল গর্তের ব্যাস, টি হল ধাতুপট্টাবৃত পুরুত্ব, এবং ই এবং কিউ যথাক্রমে বোর্ড এবং তামার বৈশিষ্ট্যগুলির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ, সু হল চূড়ান্ত প্রসার্য শক্তি এবং ডিএফ হল ধাতুপট্টাবৃত তামার নমনীয়তা, এবং ডি হল স্ট্রেন পরিসীমা। উপরের প্রতিটি সমীকরণ প্রথম-ক্রমের সমীকরণগুলি বিকাশের জন্য অবক্ষয় প্রক্রিয়া এবং পরীক্ষার অভিজ্ঞতার জ্ঞানের সংমিশ্রণ ব্যবহার করে যা নকশা বা নির্ভরযোগ্যতা প্রকৌশলীকে নকশা স্থাপত্য, উপকরণ এবং পরিবেশ সম্পর্কিত তথ্যের উপর ভিত্তি করে সময় থেকে ব্যর্থতার আচরণের পূর্বাভাস দিতে সক্ষম করে। সাম্প্রতিক কাজ ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের ক্ষেত্রে আরও সাম্প্রতিক কাজটি নতুন উপকরণ (যেমন, সীসা-মুক্ত সোল্ডার, উচ্চ-কে ডাইলেক্ট্রিক), সফ্টওয়্যার প্রোগ্রামগুলির ব্যর্থতার সময় পূর্বাভাসের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করা হয়েছে, ভবিষ্যদ্বাণীমূলক উদ্দেশ্যে অ্যালগরিদম ব্যবহার করে এবং ব্যর্থতার ভবিষ্যদ্বাণীগুলির পদার্থবিজ্ঞানকে সিস্টেম-স্তরের নির্ভরযোগ্যতা গণনার সাথে একীভূত করা হয়েছে। সীমাবদ্ধতা নকশা মূল্যায়ন এবং নির্ভরযোগ্যতার পূর্বাভাসে ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞানের ব্যবহারের ক্ষেত্রে কিছু সীমাবদ্ধতা রয়েছে। প্রথমটি হল ব্যর্থতা অ্যালগরিদমের পদার্থবিজ্ঞান সাধারণত একটি 'নিখুঁত নকশা' ধরে নেয়। ত্রুটিগুলির প্রভাব বোঝার চেষ্টা করা চ্যালেঞ্জিং হতে পারে এবং প্রায়শই ব্যর্থতার পদার্থবিজ্ঞান (পিওএফ) ভবিষ্যদ্বাণীগুলি জীবনের শেষ আচরণের মধ্যে সীমাবদ্ধ থাকে (শিশু মৃত্যুহার বা দরকারী অপারেটিং জীবনের বিপরীতে)। উপরন্তু, কিছু সংস্থার এতগুলি ব্যবহারের পরিবেশ রয়েছে (ব্যক্তিগত কম্পিউটারের কথা ভাবুন) যা তাপমাত্রা/কম্পন/আর্দ্রতা/পাওয়ার সাইক্লিং ইত্যাদির প্রতিটি সম্ভাব্য সংমিশ্রণের জন্য পিওএফ মূল্যায়ন করে। এটি কঠিন এবং সম্ভাব্যভাবে সীমিত মূল্যের হবে। আরও দেখুন সীমাবদ্ধ উপাদান সফ্টওয়্যার প্যাকেজগুলির তালিকা সমালোচনামূলক সমতল বিশ্লেষণ রক্ষণাবেক্ষণযোগ্যতা রেফারেন্স যান্ত্রিক ব্যর্থতা