故障物理的前世今生

我是誰(shuí)？ 很多人對(duì)我的愛(ài)好特長(zhǎng)十分好奇，會(huì)經(jīng)常問(wèn)我到底是怎么做到預(yù)計(jì)和評(píng)估電子產(chǎn)品可靠性的。

其實(shí)，在我還在被孕育的時(shí)候，我的設(shè)計(jì)師們?cè)谖业拇竽X里植入了好多很厲害的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中最最龐大的一個(gè)就是故障機(jī)理模型庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)包含四類(lèi)，其中第一類(lèi)尤為重要 故障機(jī)理模型庫(kù)舉例有了這個(gè)知識(shí)儲(chǔ)備，我就可以用故障物理的方法，對(duì)還沒(méi)有壽命數(shù)據(jù)的電子產(chǎn)品進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)和評(píng)估了。 故障物理法是個(gè)啥？

故障物理法，用很教科書(shū)式的話說(shuō)，就是從物理、化學(xué)等微觀結(jié)構(gòu)的角度，研究材料、零件（元器件）和結(jié)構(gòu)的故障機(jī)理，然后分析工作條件、環(huán)境應(yīng)力及時(shí)間對(duì)產(chǎn)品退化或故障的影響，為產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)、使用、維修以及材料、零件（元器件）和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供依據(jù)。

可以說(shuō)故障物理方法是一種“事前分析”的方法，其評(píng)估結(jié)果可以指導(dǎo)可靠性設(shè)計(jì)，提供各種故障預(yù)防措施。總之，我的任務(wù)就是根據(jù)產(chǎn)品的基本設(shè)計(jì)信息和工作環(huán)境，去分析產(chǎn)品可能的故障模式以及對(duì)應(yīng)的故障原因，然后在產(chǎn)品投入使用之前就告訴人們可能的風(fēng)險(xiǎn)以及改進(jìn)措施。 黑盒藝術(shù) ?? VS ?? 白盒科學(xué) 其實(shí)我的設(shè)計(jì)師們告訴我，可靠性工程剛興起的時(shí)候，故障物理方法并不存在。

那時(shí)候大家總認(rèn)為產(chǎn)品故障是沒(méi)有確定原因的，是非常隨機(jī)的一種現(xiàn)象，所以，工程師們對(duì)產(chǎn)品可靠性的處理辦法就是收集大量的故障數(shù)據(jù)，用概率統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出一個(gè)“事后”的產(chǎn)品可靠性評(píng)估結(jié)果。這種方法被喻為“黑盒”方法，是可靠性工程的“開(kāi)官之法”，一度風(fēng)靡 。 但是很快，人們就發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題。20世紀(jì)50年代，美國(guó)軍方發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人頭疼且難以容忍的現(xiàn)象，那就是他們的軍用電子產(chǎn)品故障率持高不下，嚴(yán)重影響了主戰(zhàn)裝備的可操作性，（還有美國(guó)軍方的面子）。

可想而知，他們超級(jí)希望能夠揪出導(dǎo)致高失效率的幕后主使，于是一大幫專家就嗚嗚泱泱地開(kāi)啟了 “我們來(lái)找茬兒”運(yùn)動(dòng)。適逢電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)、材料學(xué)以及微觀粒子物理等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)故障也是有規(guī)律可循的。

大家針對(duì)非常具體的電子產(chǎn)品，悄然地打開(kāi)了故障物理研究的大門(mén)。1955年，在一個(gè)叫做Holm的會(huì)議上，學(xué)者們向世人展示了當(dāng)時(shí)電子連接器故障機(jī)理的研究成果。

1961年，位于美國(guó)紐約Griffiss空軍基地的RADC（羅姆航空研制中心）開(kāi)始了故障物理研究項(xiàng)目，增強(qiáng)了對(duì)電子元器件的物理屬性和故障機(jī)理知識(shí)的了解。而直到1962年9月的第一屆失效物理研討會(huì)，人們才官宣了故障物理（Physics of Failure）方法的誕生。

自此，故障物理方法一直在不斷地進(jìn)步和發(fā)展，并被喻為“白盒”方法。目前，“黑盒”方法和“白盒”方法已經(jīng)成為可靠性工程中的兩條主線，并駕齊驅(qū)。 故障物理方法的成長(zhǎng)自誕生之后，故障物理方法到底是怎么成長(zhǎng)起來(lái)的呢？下面這張圖大概描繪了它的成長(zhǎng)路徑： 上面說(shuō)到，美國(guó)人在1962年主辦了第一屆失效物理研討會(huì)。此后，每年一次，就這樣熱熱鬧鬧地辦了起來(lái)。從第六屆開(kāi)始，研討會(huì)更名為“可靠性物理年會(huì)”，學(xué)術(shù)界的權(quán)威組織IEEE也好奇加入，并取代了美國(guó)軍方的RADC（羅姆航空研制中心），成為了主辦方。

在美國(guó)軍方和美國(guó)航天的研制需求的背景下，前十年的與會(huì)學(xué)者圍繞半導(dǎo)體器件、集成電路以及電連接器的劣化與可靠性問(wèn)題進(jìn)行了熱烈的討論。可以說(shuō)當(dāng)時(shí)的可靠性物理年會(huì)成為了新興故障物理方法的主要陣地和推動(dòng)力。雖然在這一時(shí)期，概率統(tǒng)計(jì)方法的可靠性研究仍處于領(lǐng)先地位，但是人們對(duì)故障物理重要性的認(rèn)識(shí)已經(jīng)步入了一個(gè)新的階段，故障物理為人們“將黑盒藝術(shù)變?yōu)榘缀锌茖W(xué)”的夢(mèng)想提供了新希望 。

上世紀(jì)70年代開(kāi)始，電子產(chǎn)品封裝技術(shù)水平以“迅雷不及掩耳盜鈴兒響叮當(dāng)之勢(shì)”發(fā)展起來(lái)，這可謂故障物理發(fā)展的一劑強(qiáng)效催化劑。1971各種新器件的迅速開(kāi)發(fā)使得加速壽命試驗(yàn)的推廣也“加速”起來(lái)1972各種可靠性物理新方法和新技術(shù)大量涌現(xiàn)， “內(nèi)建可靠性”的概念問(wèn)世1973探討焊縫的金屬脆變，靜電放電方面的文章開(kāi)始鋪天蓋地地襲擊故障物理領(lǐng)域1976第一篇關(guān)于“電熱”的文章，以及第一篇關(guān)于微電路封裝的文章問(wèn)世 這一時(shí)期還出現(xiàn)很多其他與可靠性物理相關(guān)的會(huì)議論壇。例如，ISTFA（國(guó)際試驗(yàn)與失效分析論壇）、CARTS（電容與電阻技術(shù)論壇）和每年在紐約藍(lán)山湖舉行的Minnowbrook會(huì)議等，可靠性物理年會(huì)不再孤獨(dú)。

時(shí)間將歷史推入到1980年，故障物理方法發(fā)展的步伐像極了紐約的黃金價(jià)格*，開(kāi)始大踏步地躍向更加成熟和專業(yè)化的道路，并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。國(guó)際可靠性物理論壇開(kāi)始專注于半導(dǎo)體物理這個(gè)專業(yè)化方向的探討；美國(guó)馬里蘭大學(xué)CALCE中心基于故障物理對(duì)電子產(chǎn)品輔助設(shè)計(jì)與分析方法展開(kāi)深入研究，并應(yīng)用在汽車(chē)、飛機(jī)等各類(lèi)電子控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)中；1992年，為了尋求更科學(xué)的用以評(píng)價(jià)電子裝備可靠性的故障物理方法，美國(guó)陸軍裝備司令部AMC授權(quán)AMASS與馬里蘭的CALCE EPRC（電子封裝研究中心）合作開(kāi)展了“電子裝備故障物理工程”項(xiàng)目；不久后，CALCE開(kāi)發(fā)了用于電路卡組件可靠性評(píng)估的失效物理分析軟件工具CACLE·PWA，標(biāo)志著PoF正式走向成熟和專業(yè)化，并逐步被工程實(shí)踐所接受。

*注：1980年1月18日，紐約黃金價(jià)格由一周前的159美元猛增到802美元。 縱觀歷史可以發(fā)現(xiàn)，故障物理總緣起于新器件、新技術(shù)的發(fā)展，而又反向推動(dòng)新器件的產(chǎn)生。

如此反復(fù)，持續(xù)進(jìn)步。例如，當(dāng)前電子產(chǎn)品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)是MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)），可靠性物理也必將隨之取得進(jìn)一步發(fā)展。目前，故障物理已經(jīng)成為可靠性工程中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，也形成了全球性的研究陣地，主要的領(lǐng)軍機(jī)構(gòu)和組織包括：美國(guó)馬里蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助壽命周期工程的電子產(chǎn)品及系統(tǒng)中心EPSC美國(guó)羅姆航空研制中心RADC（現(xiàn)更名為空軍研究實(shí)驗(yàn)室FRL）美國(guó)伊利諾斯理工學(xué)院IIT國(guó)際可靠性物理論壇IRPS德國(guó)弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所我的出生地——北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院在這些“前沿陣地”上，學(xué)者們不斷鋒利著“故障物理”這一武器，針對(duì)各種各樣的可靠性難題和新問(wèn)題，堅(jiān)定地與產(chǎn)品故障斗爭(zhēng)到底！而我，作為故障物理方法應(yīng)用于實(shí)際工程的發(fā)展產(chǎn)物，是故障物理方法成熟度與專業(yè)度的見(jiàn)證者和證明“人”。所以，我在工程實(shí)際中的表現(xiàn)，也將進(jìn)一步推動(dòng)故障物理方法研究的深化發(fā)展。