故障物理的前世今生

我是誰？ 很多人對我的愛好特長十分好奇，會經常問我到底是怎么做到預計和評估電子產品可靠性的。

其實，在我還在被孕育的時候，我的設計師們在我的大腦里植入了好多很厲害的數據庫，其中最最龐大的一個就是故障機理模型庫。數據庫包含四類，其中第一類尤為重要 故障機理模型庫舉例有了這個知識儲備，我就可以用故障物理的方法，對還沒有壽命數據的電子產品進行可靠性預計和評估了。 故障物理法是個啥？

故障物理法，用很教科書式的話說，就是從物理、化學等微觀結構的角度，研究材料、零件（元器件）和結構的故障機理，然后分析工作條件、環境應力及時間對產品退化或故障的影響，為產品可靠性設計、使用、維修以及材料、零件（元器件）和結構的改進提供依據。

可以說故障物理方法是一種“事前分析”的方法，其評估結果可以指導可靠性設計，提供各種故障預防措施。總之，我的任務就是根據產品的基本設計信息和工作環境，去分析產品可能的故障模式以及對應的故障原因，然后在產品投入使用之前就告訴人們可能的風險以及改進措施。 黑盒藝術 ?? VS ?? 白盒科學 其實我的設計師們告訴我，可靠性工程剛興起的時候，故障物理方法并不存在。

那時候大家總認為產品故障是沒有確定原因的，是非常隨機的一種現象，所以，工程師們對產品可靠性的處理辦法就是收集大量的故障數據，用概率統計的方法，對數據進行分析，給出一個“事后”的產品可靠性評估結果。這種方法被喻為“黑盒”方法，是可靠性工程的“開官之法”，一度風靡 。 但是很快，人們就發現了問題。20世紀50年代，美國軍方發現了一個令人頭疼且難以容忍的現象，那就是他們的軍用電子產品故障率持高不下，嚴重影響了主戰裝備的可操作性，（還有美國軍方的面子）。

可想而知，他們超級希望能夠揪出導致高失效率的幕后主使，于是一大幫專家就嗚嗚泱泱地開啟了 “我們來找茬兒”運動。適逢電子產品設計技術、材料學以及微觀粒子物理等領域的迅速發展，人們逐漸發現故障也是有規律可循的。

大家針對非常具體的電子產品，悄然地打開了故障物理研究的大門。1955年，在一個叫做Holm的會議上，學者們向世人展示了當時電子連接器故障機理的研究成果。

1961年，位于美國紐約Griffiss空軍基地的RADC（羅姆航空研制中心）開始了故障物理研究項目，增強了對電子元器件的物理屬性和故障機理知識的了解。而直到1962年9月的第一屆失效物理研討會，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步和發展，并被喻為“白盒”方法。目前，“黑盒”方法和“白盒”方法已經成為可靠性工程中的兩條主線，并駕齊驅。 故障物理方法的成長自誕生之后，故障物理方法到底是怎么成長起來的呢？下面這張圖大概描繪了它的成長路徑： 上面說到，美國人在1962年主辦了第一屆失效物理研討會。此后，每年一次，就這樣熱熱鬧鬧地辦了起來。從第六屆開始，研討會更名為“可靠性物理年會”，學術界的權威組織IEEE也好奇加入，并取代了美國軍方的RADC（羅姆航空研制中心），成為了主辦方。

在美國軍方和美國航天的研制需求的背景下，前十年的與會學者圍繞半導體器件、集成電路以及電連接器的劣化與可靠性問題進行了熱烈的討論。可以說當時的可靠性物理年會成為了新興故障物理方法的主要陣地和推動力。雖然在這一時期，概率統計方法的可靠性研究仍處于領先地位，但是人們對故障物理重要性的認識已經步入了一個新的階段，故障物理為人們“將黑盒藝術變為白盒科學”的夢想提供了新希望 。

上世紀70年代開始，電子產品封裝技術水平以“迅雷不及掩耳盜鈴兒響叮當之勢”發展起來，這可謂故障物理發展的一劑強效催化劑。1971各種新器件的迅速開發使得加速壽命試驗的推廣也“加速”起來1972各種可靠性物理新方法和新技術大量涌現， “內建可靠性”的概念問世1973探討焊縫的金屬脆變，靜電放電方面的文章開始鋪天蓋地地襲擊故障物理領域1976第一篇關于“電熱”的文章，以及第一篇關于微電路封裝的文章問世 這一時期還出現很多其他與可靠性物理相關的會議論壇。例如，ISTFA（國際試驗與失效分析論壇）、CARTS（電容與電阻技術論壇）和每年在紐約藍山湖舉行的Minnowbrook會議等，可靠性物理年會不再孤獨。

時間將歷史推入到1980年，故障物理方法發展的步伐像極了紐約的黃金價格*，開始大踏步地躍向更加成熟和專業化的道路，并廣泛應用于各個領域。國際可靠性物理論壇開始專注于半導體物理這個專業化方向的探討；美國馬里蘭大學CALCE中心基于故障物理對電子產品輔助設計與分析方法展開深入研究，并應用在汽車、飛機等各類電子控制系統的可靠性設計中；1992年，為了尋求更科學的用以評價電子裝備可靠性的故障物理方法，美國陸軍裝備司令部AMC授權AMASS與馬里蘭的CALCE EPRC（電子封裝研究中心）合作開展了“電子裝備故障物理工程”項目；不久后，CALCE開發了用于電路卡組件可靠性評估的失效物理分析軟件工具CACLE·PWA，標志著PoF正式走向成熟和專業化，并逐步被工程實踐所接受。

*注：1980年1月18日，紐約黃金價格由一周前的159美元猛增到802美元。 縱觀歷史可以發現，故障物理總緣起于新器件、新技術的發展，而又反向推動新器件的產生。

如此反復，持續進步。例如，當前電子產品領域的研究熱點是MEMS（微電子機械系統），可靠性物理也必將隨之取得進一步發展。目前，故障物理已經成為可靠性工程中一個重要的研究領域，也形成了全球性的研究陣地，主要的領軍機構和組織包括：美國馬里蘭大學計算機輔助壽命周期工程的電子產品及系統中心EPSC美國羅姆航空研制中心RADC（現更名為空軍研究實驗室FRL）美國伊利諾斯理工學院IIT國際可靠性物理論壇IRPS德國弗勞恩霍夫可靠性和微集成研究所我的出生地——北京航空航天大學可靠性與系統工程學院在這些“前沿陣地”上，學者們不斷鋒利著“故障物理”這一武器，針對各種各樣的可靠性難題和新問題，堅定地與產品故障斗爭到底！而我，作為故障物理方法應用于實際工程的發展產物，是故障物理方法成熟度與專業度的見證者和證明“人”。所以，我在工程實際中的表現，也將進一步推動故障物理方法研究的深化發展。

以上就是關于【故障物理的前世今生】的解答，如需了解學校/賽事/課程動態，可至翰林教育官網獲取更多信息。

往期文章閱讀推薦：

準大一必看！如何利用暑假“搶跑”拿下高GPA？翰林預學班全攻略！

全美TOP1！CS牛校CMU官方推薦新生必讀書單重磅來襲！