ฟิสิกส์แห่งความล้มเหลวเป็นเทคนิคหนึ่งในแนวทาง การออกแบบ ความน่าเชื่อถือซึ่งใช้ประโยชน์จากความรู้และความเข้าใจเกี่ยวกับกระบวนการและกลไกที่ก่อให้เกิดความล้มเหลวเพื่อทำนายความน่าเชื่อถือและปรับปรุงประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

นิยามอื่นๆ ของฟิสิกส์แห่งความล้มเหลว ได้แก่:

• แนวทางทางวิทยาศาสตร์ในการออกแบบความน่าเชื่อถือ โดยใช้แบบจำลองและการจำลองเพื่อคำนึงถึงความน่าเชื่อถือ ช่วยให้เข้าใจประสิทธิภาพของระบบและลดความเสี่ยงในการตัดสินใจทั้งในระหว่างการออกแบบและหลังการใช้งานอุปกรณ์ แนวทางนี้จำลองสาเหตุหลักของความล้มเหลว เช่นความล้าการแตกหักการสึกหรอและการกัดกร่อน
• แนวทางการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่เชื่อถือได้เพื่อป้องกันความล้มเหลว โดยอาศัยความรู้เกี่ยวกับกลไกสาเหตุหลักของความล้มเหลว แนวคิดฟิสิกส์แห่งความล้มเหลว (PoF) ตั้งอยู่บนความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างข้อกำหนดและลักษณะทางกายภาพของผลิตภัณฑ์และการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการผลิต ตลอดจนปฏิกิริยาขององค์ประกอบและวัสดุของผลิตภัณฑ์ต่อภาระ (ตัวกระตุ้นความเครียด) และปฏิสัมพันธ์ภายใต้ภาระ ตลอดจนอิทธิพลต่อความเหมาะสมในการใช้งานเมื่อพิจารณาจากเงื่อนไขการใช้งานและเวลา^{[ 1 ]}

แนวคิดของฟิสิกส์แห่งความล้มเหลว หรือที่รู้จักกันในชื่อฟิสิกส์ความน่าเชื่อถือ เกี่ยวข้องกับการใช้อัลกอริทึมการเสื่อมสภาพที่อธิบายว่ากลไกทางกายภาพ เคมี กลไก ความร้อน หรือไฟฟ้า พัฒนาไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปและในที่สุดก็ก่อให้เกิดความล้มเหลว แม้ว่าแนวคิดของฟิสิกส์แห่งความล้มเหลวจะพบได้ทั่วไปในหลายสาขาโครงสร้าง^{[ 2 ]}แต่การกำหนดชื่อเฉพาะนี้พัฒนามาจากความพยายามที่จะทำนายความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนและระบบอิเล็กทรอนิกส์รุ่นแรกๆ ได้ดียิ่งขึ้น

ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ปัจจัยหลักที่ผลักดันให้มีการนำฟิสิกส์แห่งความล้มเหลวมาใช้คือประสิทธิภาพที่ย่ำแย่ของระบบอาวุธทางทหารในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง [ ^{3 ] ใน}ช่วงทศวรรษต่อมากระทรวงกลาโหมของสหรัฐอเมริกาได้ให้ทุนสนับสนุนความพยายามอย่างมากในการปรับปรุงความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยเฉพาะ^{[ 4 ]}โดยความพยายามในช่วงแรกมุ่งเน้นไปที่วิธีการหลังเกิดเหตุหรือวิธีการทางสถิติ^{[ 5 ]}น่าเสียดายที่วิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ด้วยการออกแบบใหม่ วัสดุใหม่ และกระบวนการผลิตใหม่ มีแนวโน้มที่จะลบล้างแนวทางและการคาดการณ์ที่ได้มาจากเทคโนโลยีเก่าอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ แนวทางทางสถิติยังมีแนวโน้มที่จะนำไปสู่การทดสอบที่มีราคาแพงและใช้เวลานาน ความจำเป็นสำหรับแนวทางที่แตกต่างจึงนำไปสู่การกำเนิดของฟิสิกส์แห่งความล้มเหลวที่ศูนย์พัฒนาการบินโรม (RADC) ^{[ 6 ]}ภายใต้การอุปถัมภ์ของ RADC การประชุมวิชาการฟิสิกส์แห่งความล้มเหลวในอิเล็กทรอนิกส์ครั้งแรกจัดขึ้นในเดือนกันยายน พ.ศ. 2505 ^{[ 7 ]}เป้าหมายของโครงการคือการเชื่อมโยงพฤติกรรมทางกายภาพและเคมีพื้นฐานของวัสดุกับพารามิเตอร์ความน่าเชื่อถือ^{[ 8 ]}

ในระยะแรก เทคนิคทางฟิสิกส์ของการวิเคราะห์ความล้มเหลวมีแนวโน้มที่จะจำกัดอยู่เฉพาะกลไกการเสื่อมสภาพในวงจรรวมเป็นหลัก เนื่องจากการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีทำให้เกิดความต้องการที่จะศึกษาและคาดการณ์ประสิทธิภาพล่วงหน้าหลายรุ่นของผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่

หนึ่งในความสำเร็จครั้งสำคัญครั้งแรกภายใต้ฟิสิกส์เชิงทำนายของความล้มเหลวคือสูตร^{[ 9 ]}ที่พัฒนาโดยJames Blackแห่งMotorolaเพื่ออธิบายพฤติกรรมของอิเล็กโทรไมเกรชันอิเล็กโทรไมเกรชันเกิดขึ้นเมื่อการชนกันของอิเล็กตรอนทำให้โลหะอะตอมในตัวนำหลุดออกและเคลื่อนที่ไปตามทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า (เป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า ) Black ใช้ความรู้นี้ร่วมกับการค้นพบจากการทดลองเพื่ออธิบายอัตราความล้มเหลวเนื่องจากอิเล็กโทรไมเกรชันดังนี้

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

โดยที่Aคือค่าคงที่ซึ่งขึ้นอยู่กับพื้นที่หน้าตัดของตัวเชื่อมต่อJคือความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าE _aคือพลังงานกระตุ้น ( เช่น 0.7 eV สำหรับการแพร่ตามขอบเกรนในอะลูมิเนียม) kคือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์Tคืออุณหภูมิ และn คือตัวประกอบการปรับขนาด (โดยปกติจะตั้งค่าเป็น 2 ตามที่ Black กล่าวไว้)

โดยทั่วไปแล้ว หลักฟิสิกส์ของความล้มเหลวถูกออกแบบมาเพื่อทำนายการสึกหรอ หรืออัตราความล้มเหลวที่เพิ่มขึ้น แต่ความสำเร็จเบื้องต้นของแบล็กนั้นมุ่งเน้นไปที่การทำนายพฤติกรรมระหว่างอายุการใช้งาน หรืออัตราความล้มเหลวที่คงที่ เนื่องจากการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนในวงจรสามารถแก้ไขได้โดยการปฏิบัติตามกฎการออกแบบ ในขณะที่การเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนที่รูเชื่อมต่อส่วนใหญ่เป็นผลกระทบจากส่วนต่อประสาน ซึ่งมักเกิดจากข้อบกพร่องหรือกระบวนการผลิต

จากการใช้ประโยชน์จากความสำเร็จนี้ ได้มีการพัฒนาอัลกอริทึมเพิ่มเติมตามหลักฟิสิกส์ของความล้มเหลวสำหรับกลไกการเสื่อมสภาพหลักอีกสามประการ ( การแตกตัวของไดอิเล็กทริกที่ขึ้นอยู่กับเวลา [TDDB] การฉีดพาหะร้อน [HCI] และความไม่เสถียรของอุณหภูมิไบแอสลบ [NBTI]) ในวงจรรวมสมัยใหม่ (สมการแสดงไว้ด้านล่าง) งานวิจัยล่าสุดได้พยายามรวบรวมอัลกอริทึมแบบแยกส่วนเหล่านี้เข้าด้วยกันเพื่อการทำนายในระดับระบบ^{[ 10 ]}

TDDB : τ = τo( T ) exp[ G ( T )/ εox] ^{[ 11 ]} โดยที่ τo( T ) =5.4 × 10 ⁻⁷ exp(− E _a / kT ), G ( T ) = 120 + 5.8/ kTและ εox คือค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า

HCI : λ _HCI = A ₃ exp(− β / VD ) exp(− E _a / kT ) ^{[ 12 ]} โดยที่λ _HCIคืออัตราความล้มเหลวของ HCI, A ₃คือพารามิเตอร์การปรับค่าเชิงประจักษ์, βคือพารามิเตอร์การปรับค่าเชิงประจักษ์, V _Dคือแรงดันระบาย, E _aคือพลังงานกระตุ้นของ HCI ซึ่งโดยทั่วไปคือ −0.2 ถึง −0.1 eV, kคือค่าคงที่ของ Boltzmann และTคืออุณหภูมิสัมบูรณ์

NBTI : λ = A εoxm V _T μ _p exp(− E _a / kT ) ^{[ 13 ]} โดยที่ A ถูกกำหนดโดยประสบการณ์โดยการทำให้สมการข้างต้นเป็นมาตรฐานm = 2.9 V _Tคือแรงดันความร้อนμ _pคือค่าคงที่การเคลื่อนที่ของพื้นผิวE _aคือพลังงานกระตุ้นของ NBTI kคือค่าคงที่ของ Boltzmann และTคืออุณหภูมิสัมบูรณ์

ทรัพยากรและความสำเร็จเกี่ยวกับวงจรรวม และการทบทวนปัจจัยบางประการที่ทำให้เกิดความล้มเหลวในภาคสนาม ได้กระตุ้นให้ชุมชนฟิสิกส์ด้านความน่าเชื่อถือเริ่มทำการวิจัยทางฟิสิกส์เกี่ยวกับกลไกการเสื่อมสภาพในระดับบรรจุภัณฑ์ มีการดำเนินงานอย่างกว้างขวางเพื่อพัฒนาอัลกอริทึมที่สามารถทำนายความน่าเชื่อถือของการเชื่อมต่อได้อย่างแม่นยำ การเชื่อมต่อที่น่าสนใจโดยเฉพาะ ได้แก่ ระดับที่ 1 (การเชื่อมต่อด้วยลวด การบัดกรี การยึดชิ้นส่วน) ระดับที่ 2 (ข้อต่อบัดกรี) และระดับที่ 3 (รูทะลุชุบ)

เช่นเดียวกับที่วงการพัฒนาวงจรรวมประสบความสำเร็จครั้งสำคัญ 4 ประการในด้านฟิสิกส์ของความล้มเหลวในระดับชิป วงการพัฒนาบรรจุภัณฑ์ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ก็ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญ 4 ประการจากการทำงานในช่วงทศวรรษ 1970 และ 1980 เช่นกัน ซึ่งได้แก่

เพ็ค : ^{[ 14 ]}ทำนายเวลาที่จะเกิดความล้มเหลวของการเชื่อมต่อสาย/แผ่นเชื่อมต่อเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิ/ ความชื้น ที่สูงขึ้น

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

โดยที่Aคือค่าคงที่, RHคือความชื้นสัมพัทธ์, f ( V ) คือฟังก์ชันแรงดันไฟฟ้า (มักอ้างถึงในรูปของแรงดันไฟฟ้ากำลังสอง), E _{_a} คือพลังงานกระตุ้น, k_{_B} คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ และTคืออุณหภูมิสัมบูรณ์

Engelmaier : ^{[ 15 ]}ทำนายเวลาที่จะเกิดความล้มเหลวของข้อต่อบัดกรีที่สัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

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

โดยที่εfคือสัมประสิทธิ์ความเหนียวเมื่อล้า, c คือค่าคงที่ที่ขึ้นอยู่ _กับเวลาและอุณหภูมิ, Fคือค่าคงที่เชิงประจักษ์, L _Dคือระยะห่างจากจุดกลาง, αคือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน, ΔT คือการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ และhคือความหนาของรอยเชื่อม

สไตน์เบิร์ก : ^{[ 16 ]}ทำนายเวลาที่จะเกิดความล้มเหลวของข้อต่อบัดกรีที่สัมผัสกับการสั่นสะเทือน

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

โดยที่Zคือการกระจัดสูงสุด, PSD คือความหนาแน่นสเปกตรัมกำลัง ( g² ^/ Hz), f _{_n}คือความถี่ธรรมชาติของ CCA, Qคือค่าการส่งผ่าน (สมมติว่าเป็นรากที่สองของความถี่ธรรมชาติ), Z _{_c}คือการกระจัดวิกฤต (20 ล้านรอบก่อนเกิดความเสียหาย), Bคือความยาวของขอบ PCB ที่ขนานกับส่วนประกอบที่อยู่ตรงกลางของบอร์ด, cคือค่าคงที่การบรรจุส่วนประกอบ, hคือความหนาของ PCB, rคือปัจจัยตำแหน่งสัมพัทธ์ และLคือความยาวของส่วนประกอบ

IPC-TR-579 : ^{[ 17 ]}ทำนายเวลาที่จะเกิดความล้มเหลวของรูทะลุที่เคลือบซึ่งสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

${\displaystyle \sigma ={\frac {(\alpha _{\text{E}}-\alpha _{\text{Cu}})\เดลต้า TA_{\text{E}}E_{\text{E}}E_{\text{Cu}}}{A_{\text{E}}E_{\text{E}}+A_{\text{Cu}}E_{\text{Cu}}}},\quad {\text{สำหรับ }}\sigma \leq S_{Y}}$

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

โดยที่aคือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE), Tคืออุณหภูมิ, Eคือโมดูลัสความยืดหยุ่น, hคือความหนาของแผ่นวงจร, dคือเส้นผ่านศูนย์กลางของรู, tคือความหนาของการชุบ และ E และ Cu เป็นตัวบ่งชี้คุณสมบัติของแผ่นวงจรและทองแดงตามลำดับ, S _uคือความแข็งแรงดึงสูงสุดและD _fคือความเหนียวของทองแดงที่ชุบ และDeคือช่วงความเครียด

สมการแต่ละสมการข้างต้นใช้ความรู้เกี่ยวกับกลไกการเสื่อมสภาพและประสบการณ์จากการทดสอบมาผสมผสานกันเพื่อพัฒนาสมการอันดับแรก ซึ่งช่วยให้วิศวกรออกแบบหรือวิศวกรความน่าเชื่อถือสามารถคาดการณ์พฤติกรรมเวลาที่จะเกิดความล้มเหลวได้โดยอาศัยข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างการออกแบบ วัสดุ และสภาพแวดล้อม

งานวิจัยล่าสุดในด้านฟิสิกส์ของความล้มเหลวมุ่งเน้นไปที่การทำนายเวลาที่จะเกิดความล้มเหลวของวัสดุใหม่ (เช่น บัดกรีไร้สารตะกั่ว^{[ 18 ] [ 19 ]}ไดอิเล็กทริกที่มีค่า K สูง^{[ 20 ]} ) โปรแกรมซอฟต์แวร์^{[ 21 ]}โดยใช้อัลกอริธึมเพื่อวัตถุประสงค์ในการพยากรณ์^{[ 22 ]}และการบูรณาการการทำนายฟิสิกส์ของความล้มเหลวเข้ากับการคำนวณความน่าเชื่อถือในระดับระบบ^{[ 23 ]}

การใช้หลักฟิสิกส์ของความล้มเหลวในการประเมินการออกแบบและการทำนายความน่าเชื่อถือมีข้อจำกัดอยู่บ้าง ข้อแรกคือโดยทั่วไปแล้วอัลกอริทึมทางฟิสิกส์ของความล้มเหลวจะสมมติว่าเป็นการออกแบบที่สมบูรณ์แบบ การพยายามทำความเข้าใจอิทธิพลของข้อบกพร่องอาจเป็นเรื่องยากและมักนำไปสู่การทำนายทางฟิสิกส์ของความล้มเหลว (PoF) ที่จำกัดอยู่เพียงพฤติกรรมเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน (ตรงข้ามกับอัตราการตายในช่วงเริ่มต้นหรืออายุการใช้งานที่เป็นประโยชน์) นอกจากนี้ บางบริษัทมีสภาพแวดล้อมการใช้งานมากมาย (เช่น คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล) การทำการประเมิน PoF สำหรับแต่ละชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ของอุณหภูมิ/การสั่นสะเทือน/ความชื้น/ การเปิด-ปิดเครื่อง /ฯลฯ จะเป็นเรื่องที่ยุ่งยากและอาจมีคุณค่าจำกัด

• รายชื่อซอฟต์แวร์วิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด
• การวิเคราะห์ระนาบวิกฤต
• ความสามารถในการบำรุงรักษา