La física de fallas es una técnica bajo la práctica del diseño de confiabilidad que aprovecha el conocimiento y la comprensión de los procesos y mecanismos que inducen fallas para predecir la confiabilidad y mejorar el desempeño del producto.
El concepto de Física de fallas, también conocida como Física de confiabilidad, involucra el uso de algoritmos de degradación que describen cómo los mecanismos físicos, químicos, mecánicos, térmicos o eléctricos evolucionan con el tiempo y eventualmente inducen fallas. Si bien el concepto de física de fallas es común en muchos campos estructurales, [2] la marca específica evolucionó a partir de un intento de predecir mejor la confiabilidad de las primeras generaciones de partes y sistemas electrónicos.
Dentro de la industria electrónica , el principal impulsor de la implementación de la Física del Fallo fue el bajo rendimiento de los sistemas de armas militares durante la Segunda Guerra Mundial . [3] Durante la década siguiente, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos financió una gran cantidad de esfuerzos para mejorar especialmente la confiabilidad de la electrónica, [4] con los esfuerzos iniciales centrados en la metodología estadística o posterior al hecho. [5]Desafortunadamente, la rápida evolución de la electrónica, con nuevos diseños, nuevos materiales y nuevos procesos de fabricación, tendió a negar rápidamente los enfoques y predicciones derivados de la tecnología más antigua. Además, el enfoque estadístico tendía a conducir a pruebas costosas y lentas. La necesidad de diferentes enfoques condujo al nacimiento de la Física de fallas en el Rome Air Development Centre (RADC). [6] Bajo los auspicios del RADC, el primer Simposio de Física de Fallas en Electrónica se llevó a cabo en septiembre de 1962. [7] El objetivo del programa era relacionar el comportamiento físico y químico fundamental de los materiales con los parámetros de confiabilidad. [8]
El enfoque inicial de la física de las técnicas de falla tendía a limitarse a los mecanismos de degradación en los circuitos integrados . Esto se debió principalmente a que la rápida evolución de la tecnología creó la necesidad de capturar y predecir el rendimiento varias generaciones antes que el producto existente.
Uno de los primeros grandes éxitos de la física predictiva de fallos fue una fórmula [9] desarrollada por James Black de Motorola para describir el comportamiento de la electromigración . La electromigración ocurre cuando las colisiones de electrones hacen que los átomos de metal en un conductor se desprendan y se muevan aguas abajo del flujo de corriente (proporcional a la densidad de corriente ). Black usó este conocimiento, en combinación con hallazgos experimentales, para describir la tasa de fallas debido a la electromigración como
donde A es una constante basada en el área de la sección transversal de la interconexión, J es la densidad de corriente , Ea es la energía de activación (p. ej., 0,7 eV para la difusión del límite de grano en aluminio), k es la constante de Boltzmann , T es la temperatura y n es un factor de escala (generalmente establecido en 2 según Black).