故障物理的前世今生

我是谁？ 很多人对我的爱好特长十分好奇，会经常问我到底是怎么做到预计和评估电子产品可靠性的。

其实，在我还在被孕育的时候，我的设计师们在我的大脑里植入了好多很厉害的数据库，其中最最庞大的一个就是故障机理模型库。数据库包含四类，其中第一类尤为重要 故障机理模型库举例有了这个知识储备，我就可以用故障物理的方法，对还没有寿命数据的电子产品进行可靠性预计和评估了。 故障物理法是个啥？

故障物理法，用很教科书式的话说，就是从物理、化学等微观结构的角度，研究材料、零件（元器件）和结构的故障机理，然后分析工作条件、环境应力及时间对产品退化或故障的影响，为产品可靠性设计、使用、维修以及材料、零件（元器件）和结构的改进提供依据。

可以说故障物理方法是一种“事前分析”的方法，其评估结果可以指导可靠性设计，提供各种故障预防措施。总之，我的任务就是根据产品的基本设计信息和工作环境，去分析产品可能的故障模式以及对应的故障原因，然后在产品投入使用之前就告诉人们可能的风险以及改进措施。 黑盒艺术    VS    白盒科学 其实我的设计师们告诉我，可靠性工程刚兴起的时候，故障物理方法并不存在。

那时候大家总认为产品故障是没有确定原因的，是非常随机的一种现象，所以，工程师们对产品可靠性的处理办法就是收集大量的故障数据，用概率统计的方法，对数据进行分析，给出一个“事后”的产品可靠性评估结果。这种方法被喻为“黑盒”方法，是可靠性工程的“开官之法”，一度风靡 。 但是很快，人们就发现了问题。20世纪50年代，美国军方发现了一个令人头疼且难以容忍的现象，那就是他们的军用电子产品故障率持高不下，严重影响了主战装备的可操作性，（还有美国军方的面子）。

可想而知，他们超级希望能够揪出导致高失效率的幕后主使，于是一大帮专家就呜呜泱泱地开启了 “我们来找茬儿”运动。适逢电子产品设计技术、材料学以及微观粒子物理等领域的迅速发展，人们逐渐发现故障也是有规律可循的。

大家针对非常具体的电子产品，悄然地打开了故障物理研究的大门。1955年，在一个叫做Holm的会议上，学者们向世人展示了当时电子连接器故障机理的研究成果。

1961年，位于美国纽约Griffiss空军基地的RADC（罗姆航空研制中心）开始了故障物理研究项目，增强了对电子元器件的物理属性和故障机理知识的了解。而直到1962年9月的第一届失效物理研讨会，人们才官宣了故障物理（Physics of Failure）方法的诞生。

自此，故障物理方法一直在不断地进步和发展，并被喻为“白盒”方法。目前，“黑盒”方法和“白盒”方法已经成为可靠性工程中的两条主线，并驾齐驱。 故障物理方法的成长自诞生之后，故障物理方法到底是怎么成长起来的呢？下面这张图大概描绘了它的成长路径： 上面说到，美国人在1962年主办了第一届失效物理研讨会。此后，每年一次，就这样热热闹闹地办了起来。从第六届开始，研讨会更名为“可靠性物理年会”，学术界的权威组织IEEE也好奇加入，并取代了美国军方的RADC（罗姆航空研制中心），成为了主办方。

在美国军方和美国航天的研制需求的背景下，前十年的与会学者围绕半导体器件、集成电路以及电连接器的劣化与可靠性问题进行了热烈的讨论。可以说当时的可靠性物理年会成为了新兴故障物理方法的主要阵地和推动力。虽然在这一时期，概率统计方法的可靠性研究仍处于领先地位，但是人们对故障物理重要性的认识已经步入了一个新的阶段，故障物理为人们“将黑盒艺术变为白盒科学”的梦想提供了新希望 。

上世纪70年代开始，电子产品封装技术水平以“迅雷不及掩耳盗铃儿响叮当之势”发展起来，这可谓故障物理发展的一剂强效催化剂。1971各种新器件的迅速开发使得加速寿命试验的推广也“加速”起来1972各种可靠性物理新方法和新技术大量涌现， “内建可靠性”的概念问世1973探讨焊缝的金属脆变，静电放电方面的文章开始铺天盖地地袭击故障物理领域1976第一篇关于“电热”的文章，以及第一篇关于微电路封装的文章问世 这一时期还出现很多其他与可靠性物理相关的会议论坛。例如，ISTFA（国际试验与失效分析论坛）、CARTS（电容与电阻技术论坛）和每年在纽约蓝山湖举行的Minnowbrook会议等，可靠性物理年会不再孤独。

时间将历史推入到1980年，故障物理方法发展的步伐像极了纽约的黄金价格*，开始大踏步地跃向更加成熟和专业化的道路，并广泛应用于各个领域。国际可靠性物理论坛开始专注于半导体物理这个专业化方向的探讨；美国马里兰大学CALCE中心基于故障物理对电子产品辅助设计与分析方法展开深入研究，并应用在汽车、飞机等各类电子控制系统的可靠性设计中；1992年，为了寻求更科学的用以评价电子装备可靠性的故障物理方法，美国陆军装备司令部AMC授权AMASS与马里兰的CALCE EPRC（电子封装研究中心）合作开展了“电子装备故障物理工程”项目；不久后，CALCE开发了用于电路卡组件可靠性评估的失效物理分析软件工具CACLE·PWA，标志着PoF正式走向成熟和专业化，并逐步被工程实践所接受。

*注：1980年1月18日，纽约黄金价格由一周前的159美元猛增到802美元。 纵观历史可以发现，故障物理总缘起于新器件、新技术的发展，而又反向推动新器件的产生。

如此反复，持续进步。例如，当前电子产品领域的研究热点是MEMS（微电子机械系统），可靠性物理也必将随之取得进一步发展。目前，故障物理已经成为可靠性工程中一个重要的研究领域，也形成了全球性的研究阵地，主要的领军机构和组织包括：美国马里兰大学计算机辅助寿命周期工程的电子产品及系统中心EPSC美国罗姆航空研制中心RADC（现更名为空军研究实验室FRL）美国伊利诺斯理工学院IIT国际可靠性物理论坛IRPS德国弗劳恩霍夫可靠性和微集成研究所我的出生地——北京航空航天大学可靠性与系统工程学院在这些“前沿阵地”上，学者们不断锋利着“故障物理”这一武器，针对各种各样的可靠性难题和新问题，坚定地与产品故障斗争到底！而我，作为故障物理方法应用于实际工程的发展产物，是故障物理方法成熟度与专业度的见证者和证明“人”。所以，我在工程实际中的表现，也将进一步推动故障物理方法研究的深化发展。