Physics of failure
विफलता की भौतिकी विश्वसनीयता डिजाइन के अभ्यास के तहत एक तकनीक है जो उन प्रक्रियाओं और तंत्रों के ज्ञान और समझ का लाभ उठाती है जो विश्वसनीयता की भविष्यवाणी करने और उत्पाद प्रदर्शन में सुधार करने में विफलता को प्रेरित करती हैं। विफलता की भौतिकी की अन्य परिभाषाओं में शामिल हैंः विश्वसनीयता के लिए एक विज्ञान-आधारित दृष्टिकोण जो विश्वसनीयता को डिजाइन करने के लिए मॉडलिंग और अनुकरण का उपयोग करता है। यह प्रणाली के प्रदर्शन को समझने और डिजाइन के दौरान और उपकरण को तैनात करने के बाद निर्णय जोखिम को कम करने में मदद करता है। यह दृष्टिकोण विफलता के मूल कारणों जैसे थकान, फ्रैक्चर, घिसाव और क्षरण को मॉडल करता है। विफलता को रोकने के लिए विश्वसनीय उत्पाद के डिजाइन और विकास के लिए एक दृष्टिकोण, जो मूल कारण विफलता तंत्र के ज्ञान पर आधारित है। विफलता की भौतिकी (पी. ओ. एफ.) अवधारणा आवश्यकताओं और उत्पाद की भौतिक विशेषताओं और निर्माण प्रक्रियाओं में उनकी भिन्नता के बीच संबंधों की समझ पर आधारित है, और भार के लिए उत्पाद तत्वों और सामग्रियों की प्रतिक्रिया और भार के तहत बातचीत और उपयोग की स्थितियों और समय के संबंध में उपयोग के लिए योग्यता पर उनके प्रभाव पर आधारित है। विफलता की भौतिकी की अवधारणा, जिसे विश्वसनीयता भौतिकी के रूप में भी जाना जाता है, में क्षरण एल्गोरिदम का उपयोग शामिल है जो वर्णन करता है कि समय के साथ भौतिक, रासायनिक, यांत्रिक, तापीय या विद्युत तंत्र कैसे विकसित होते हैं और अंततः विफलता को प्रेरित करते हैं। हालांकि विफलता की भौतिकी की अवधारणा कई संरचनात्मक क्षेत्रों में आम है, विशिष्ट ब्रांडिंग प्रारंभिक पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक भागों और प्रणालियों की विश्वसनीयता की बेहतर भविष्यवाणी करने के प्रयास से विकसित हुई है। शुरुआत इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग के भीतर, विफलता के भौतिकी के कार्यान्वयन के लिए प्रमुख चालक द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान सैन्य हथियार प्रणालियों का खराब प्रदर्शन था। बाद के दशक के दौरान, संयुक्त राज्य अमेरिका के रक्षा विभाग ने इलेक्ट्रॉनिक्स की विश्वसनीयता में विशेष रूप से सुधार करने के लिए व्यापक प्रयास किए, जिसमें प्रारंभिक प्रयास तथ्य के बाद या सांख्यिकीय पद्धति पर केंद्रित थे। दुर्भाग्य से, नए डिजाइनों, नई सामग्रियों और नई निर्माण प्रक्रियाओं के साथ इलेक्ट्रॉनिक्स के तेजी से विकास ने पुरानी तकनीक से प्राप्त दृष्टिकोणों और भविष्यवाणियों को जल्दी से नकार दिया। इसके अलावा, सांख्यिकीय दृष्टिकोण ने महंगे और समय लेने वाले परीक्षण को जन्म दिया। विभिन्न दृष्टिकोणों की आवश्यकता के कारण रोम वायु विकास केंद्र (आर. ए. डी. सी.) में विफलता की भौतिकी का जन्म हुआ। आर. ए. डी. सी. के तत्वावधान में, इलेक्ट्रॉनिक्स संगोष्ठी में विफलता की पहली भौतिकी सितंबर 1962 में आयोजित की गई थी। कार्यक्रम का लक्ष्य सामग्री के मौलिक भौतिक और रासायनिक व्यवहार को विश्वसनीयता मापदंडों से जोड़ना था। प्रारंभिक इतिहास-एकीकृत परिपथ विफलता तकनीकों के भौतिकी का प्रारंभिक ध्यान एकीकृत परिपथ में क्षरण तंत्र तक सीमित था। ऐसा मुख्य रूप से इसलिए था क्योंकि प्रौद्योगिकी के तेजी से विकास ने मौजूदा उत्पाद से कई पीढ़ियों पहले प्रदर्शन को पकड़ने और भविष्यवाणी करने की आवश्यकता पैदा की। विफलता की भविष्यवाणी करने वाली भौतिकी के तहत पहली बड़ी सफलताओं में से एक मोटोरोला के जेम्स ब्लैक द्वारा विद्युतपरिवहन के व्यवहार का वर्णन करने के लिए विकसित एक सूत्र था। विद्युतपरिवहन तब होता है जब इलेक्ट्रॉनों की टक्कर एक चालक में धातु परमाणुओं को हटाने का कारण बनती है और वर्तमान प्रवाह (वर्तमान घनत्व के समानुपाती) के नीचे की ओर बढ़ती है। ब्लैक ने इस ज्ञान का उपयोग, प्रायोगिक निष्कर्षों के संयोजन में, इलेक्ट्रोमिग्रेशन के कारण विफलता दर का वर्णन करने के लिए किया, जहां ए इंटरकनेक्ट के क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र के आधार पर एक स्थिरांक है, जे वर्तमान घनत्व है, ईए सक्रियण ऊर्जा है (जैसे। एल्यूमीनियम में अनाज सीमा प्रसार के लिए 0.7 eV), k बोल्ट्जमैन स्थिरांक है, T तापमान है और n एक स्केलिंग कारक है (आमतौर पर काले रंग के अनुसार 2 पर सेट किया जाता है)। विफलता की भौतिकी को आम तौर पर क्षय, या बढ़ती विफलता दर की भविष्यवाणी करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन ब्लैक द्वारा यह प्रारंभिक सफलता परिचालन जीवन के दौरान व्यवहार की भविष्यवाणी करने, या निरंतर विफलता दर पर केंद्रित है। ऐसा इसलिए है क्योंकि निशानों में विद्युतपरिवहन को डिजाइन नियमों का पालन करके तैयार किया जा सकता है, जबकि व्यास में विद्युतपरिवहन मुख्य रूप से अंतरमुख प्रभाव होते हैं, जो दोष या प्रक्रिया-संचालित होते हैं। इस सफलता का लाभ उठाते हुए, आधुनिक एकीकृत परिपथों (नीचे दिखाए गए समीकरण) में तीन अन्य प्रमुख क्षरण तंत्रों (समय पर निर्भर परावैद्युत विघटन [टीडीडीबी], गर्म वाहक इंजेक्शन [एचसीआई], और नकारात्मक पूर्वाग्रह तापमान अस्थिरता [एनबीटीआई]) के लिए अतिरिक्त भौतिकी-की-विफलता आधारित एल्गोरिदम प्राप्त किए गए हैं। हाल के काम ने इन असतत एल्गोरिदम को एक प्रणाली-स्तर की भविष्यवाणी में एकत्रित करने का प्रयास किया है। TDDB: τ = τo (T) exp [G (T)/εox] जहाँ τo (T) = 5.4 * 10-7 exp (-Ea/kT), G (T) = 120 + 5.8/kT, और εox पारगम्यता है। एच. सी. आई.: λ. एच. सी. आई. = ए3 एक्स. पी. (-β/VD) एक्स. पी. (-Ea/kT) जहाँ λ. एच. सी. आई. एच. सी. आई. की विफलता दर है, ए3 एक अनुभवजन्य फिटिंग पैरामीटर है, β एक अनुभवजन्य फिटिंग पैरामीटर है, वी. डी. ड्रेन वोल्टेज है, ई. ए. एच. सी. आई. की सक्रियण ऊर्जा है, आमतौर पर-0.2 से-0.1eV, के. बोल्ट्जमैन का स्थिरांक है, और टी. केल्विन में तापमान है। एन. बी. टी. आई.: λ = ए εoxm वी. टी. एम. पी. एक्स्प (-ई. ए./के. टी.) जहाँ ए. को उपरोक्त समीकरण को सामान्य करके अनुभवजन्य रूप से निर्धारित किया जाता है, एम = 2.9, वी. टी. तापीय वोल्टेज है, एम. पी. सतह की गतिशीलता स्थिरांक है, ई. ए. एन. बी. टी. आई. की सक्रियण ऊर्जा है, के. आई. एस. बोल्ट्ज़मैन का स्थिरांक है, और टी. केल्विन में तापमान है अगला चरण-इलेक्ट्रॉनिक पैकेजिंग एकीकृत परिपथों के साथ संसाधन और सफलताएँ, और क्षेत्र विफलताओं के कुछ चालकों की समीक्षा, बाद में विश्वसनीयता भौतिकी समुदाय को पैकेज-स्तर क्षरण तंत्र में विफलता जांच की भौतिकी शुरू करने के लिए प्रेरित किया। एल्गोरिदम विकसित करने के लिए एक व्यापक मात्रा में काम किया गया था जो इंटरकनेक्ट्स की विश्वसनीयता का सटीक अनुमान लगा सके। ब्याज के विशिष्ट इंटरकनेक्ट पहले स्तर (वायर बॉन्ड, सोल्डर बम्प्स, डाई अटैच), दूसरे स्तर (सोल्डर जॉइंट्स) और तीसरे स्तर (छेद के माध्यम से चढ़ाया गया) पर रहते थे। जिस तरह एकीकृत परिपथ समुदाय को अंतिम स्तर पर विफलता की भौतिकी के साथ चार बड़ी सफलताएं मिलीं, उसी तरह घटक पैकेजिंग समुदाय को 1970 और 1980 के दशक में उनके काम से चार बड़ी सफलताएं मिलीं। ये पेक थेः ऊंचे तापमान/आर्द्रता के संपर्क में आने पर तार बंधन/बॉन्ड पैड कनेक्शन की विफलता के समय की भविष्यवाणी करता है जहां A एक स्थिरांक है, RH सापेक्ष आर्द्रता है, f (V) एक वोल्टेज फ़ंक्शन है (अक्सर वोल्टेज वर्ग के रूप में उद्धृत किया जाता है), Ea सक्रियण ऊर्जा है, KB बोल्ट्जमैन का स्थिरांक है, और T केल्विन में तापमान है। एंगेलमेयरः तापमान चक्रण के संपर्क में आने वाले सोल्डर जोड़ों की विफलता के समय की भविष्यवाणी करता है जहां εf एक थकान लचीलापन गुणांक है, c एक समय और तापमान पर निर्भर स्थिरांक है, F एक अनुभवजन्य स्थिरांक है, LD तटस्थ बिंदु से दूरी है, α तापीय विस्तार का गुणांक है, ΔT तापमान में परिवर्तन है, और h सोल्डर जोड़ की मोटाई है। स्टाइनबर्गः कंपन के संपर्क में आने वाले टांके के जोड़ों की विफलता के समय की भविष्यवाणी करता है जहां Z अधिकतम विस्थापन है, पीएसडी शक्ति वर्णक्रमीय घनत्व (जी2/हर्ट्ज) है, एफएन सीसीए की प्राकृतिक आवृत्ति है, क्यू संचरण क्षमता है (प्राकृतिक आवृत्ति का वर्गमूल माना जाता है), जेडसी महत्वपूर्ण विस्थापन है (विफलता के लिए 20 मिलियन चक्र), बी बोर्ड के केंद्र में स्थित घटक के समानांतर पी. सी. बी. किनारे की लंबाई है, सी एक घटक पैकेजिंग स्थिरांक है, एच. पी. सी. की मोटाई है, आर एक सापेक्ष स्थिति कारक है, और एल घटक की लंबाई है। आई. पी. सी.-टी. आर.-579: तापमान चक्रण के संपर्क में आने वाले छिद्रों के माध्यम से प्लेटेड की विफलता के समय की भविष्यवाणी करता है जहां ए थर्मल विस्तार (सी. टी. ई.) का गुणांक है, टी तापमान है, ई लोचदार मॉड्यूल है, एच बोर्ड की मोटाई है, डी छेद व्यास है, टी प्लेटिंग मोटाई है, और ई और सी. यू बोर्ड और तांबे के गुणों के अनुरूप है, क्रमशः, सु अंतिम तन्यता शक्ति है और डी. एफ. प्लेटेड तांबे की लचीलापन है, और डी तनाव सीमा है। उपरोक्त प्रत्येक समीकरण प्रथम-क्रम समीकरणों को विकसित करने के लिए क्षरण तंत्र और परीक्षण अनुभव के ज्ञान के संयोजन का उपयोग करता है जो डिजाइन या विश्वसनीयता इंजीनियर को डिजाइन वास्तुकला, सामग्री और पर्यावरण पर जानकारी के आधार पर समय से विफलता व्यवहार की भविष्यवाणी करने में सक्षम बनाता है। विफलता के भौतिकी के क्षेत्र में हाल का काम नई सामग्रियों (यानी, सीसा-मुक्त टांका, उच्च-के परावैद्युत), सॉफ्टवेयर प्रोग्रामों की विफलता के समय की भविष्यवाणी करने, पूर्वानुमान उद्देश्यों के लिए एल्गोरिदम का उपयोग करने और विफलता भविष्यवाणियों के भौतिकी को प्रणाली-स्तर की विश्वसनीयता गणनाओं में एकीकृत करने पर केंद्रित है। सीमाएँ डिजाइन मूल्यांकन और विश्वसनीयता भविष्यवाणी में विफलता के भौतिकी के उपयोग के साथ कुछ सीमाएँ हैं। पहला विफलता एल्गोरिदम का भौतिकी है जो आम तौर पर एक 'सही डिजाइन' मानता है। दोषों के प्रभाव को समझने का प्रयास चुनौतीपूर्ण हो सकता है और अक्सर विफलता की भौतिकी (पी. ओ. एफ.) भविष्यवाणियों को जीवन के अंत के व्यवहार (शिशु मृत्यु दर या उपयोगी संचालन जीवन के विपरीत) तक सीमित कर देता है। इसके अलावा, कुछ कंपनियों के पास इतने सारे उपयोग वातावरण हैं (पर्सनल कंप्यूटर के बारे में सोचें) जो तापमान/कंपन/आर्द्रता/पावर साइक्लिंग/आदि के प्रत्येक संभावित संयोजन के लिए पी. ओ. एफ. मूल्यांकन करते हैं। यह कठिन और संभावित रूप से सीमित मूल्य का होगा। यह भी देखें परिमित तत्व सॉफ्टवेयर पैकेजों की सूची महत्वपूर्ण समतल विश्लेषण रखरखाव संदर्भ यांत्रिक विफलता