La Física de la Confiabilidad y la Ingeniería: Modelado de Tiempo de Falla

La Física de la Confiabilidad y la Ingeniería

Sobre el Libro

La Física de la Confiabilidad y la Ingeniería: Modelado de Tiempo de Falla (Reliability Physics and Engineering: Time-To-Failure Modeling, 2nd edition) es un libro escrito por el Dr. J.W. McPherson y publicado por la editorial Springer en el año 2013 en su segunda edición.

Descripción del Libro

(Información extraída y traducida del libro)

La Física de la Confiabilidad y la Ingeniería proporciona información de importancia crítica que se necesita para diseñar y construir productos fiables y rentables.

Las características clave incluyen:

  • Materiales / Degradación del dispositivo.
  • Cinética de degradación.
  • Modelado de tiempo de falla.
  • Herramientas estadísticas.
  • Modelado de tasa de fallas.
  • Prueba acelerada.
  • Prueba de rampa a falla.
  • Mecanismos de falla importantes para circuitos integrados.
  • Mecanismos de falla importantes para componentes mecánicos.
  • Conversión de tensiones dinámicas en equivalentes estáticos.
  • Pequeños cambios de diseño que producen importantes mejoras de confiabilidad.
  • Métodos de detección.
  • Generación y disipación de calor.
  • Planes de muestreo e intervalos de confianza.

Este libro de texto incluye numerosos ejemplos de problemas con soluciones. Además, los problemas de ejercicio junto con las respuestas se incluyen al final de cada capítulo.

La Física de la Confiabilidad y la Ingeniería puede ser un recurso muy útil para estudiantes, ingenieros y científicos de materiales.

Sobre el Autor

(Información extraída y traducida del sitio web de IEEE Xplore)

El Dr. J.W. McPherson es reconocido internacionalmente como experto en Física e Ingeniería de Confiabilidad. Ha publicado más de 200 artículos, es autor de los capítulos de confiabilidad de 4 libros, ha otorgado 14 patentes y tiene el título de Senior Fellow Eméritus de Texas Instruments. Fue el presidente general de 1995 del IEEE International Reliability Physics Symposium y todavía forma parte de su junta directiva. En 2004, Joe recibió el premio IEEE Engineer of the Year de la Texas Society of Professional Engineers. En 2006, fue presidente del Consejo de Confiabilidad de Sematech. Joe es miembro de IEEE y fundador / director ejecutivo de McPherson Reliability Consulting, LLC. Su experiencia en confiabilidad de semiconductores incluye aspectos relacionados con la física de dispositivos, la fabricación de obleas y el ensamblaje. Varios de los modelos de fiabilidad que se utilizan hoy en día en la industria de los semiconductores están estrechamente asociados con su nombre. Más recientemente, el Dr. McPherson fue autor de un libro de texto: Reliability Physics and Engineering, Springer Publishing, 2010.

Introducción del Libro

(Información extraída y traducida del libro)

Es muy frustrante (y a menudo muy costoso) comprar un dispositivo solo para que falle con el tiempo. Sin embargo, todos los dispositivos (desde los circuitos integrados hasta los neumáticos de automóviles) se fabrican con materiales que tenderán a degradarse con el tiempo. La degradación de los materiales continuará hasta que algún parámetro crítico del dispositivo ya no pueda cumplir con la especificación requerida para la funcionalidad adecuada del dispositivo. En este punto, se suele decir: el dispositivo ha fallado. La falla podría deberse a un aumento en la fuga del capacitor (en el caso de los circuitos integrados) o la incapacidad de un neumático de automóvil para mantener la presión adecuada (reventón). La degradación de los materiales y la eventual falla del dispositivo son temas de Física e Ingeniería de Confiabilidad. La física de la confiabilidad normalmente se asocia con la comprensión de la cinética (dependencia de la temperatura y el estrés) de los mecanismos de falla. La ingeniería de confiabilidad generalmente se asocia con el establecimiento de: reglas de diseño adecuadas, criterios de selección de materiales sólidos y buenas pautas de fabricación para la fabricación y el uso confiables de dispositivos.

La falla del dispositivo, ya sea eléctrica o mecánica, generalmente se puede atribuir a la degradación de un material dado bajo tensión. El término estrés, como se usa en este texto, es muy general y no se limita solo al significado más común: estrés mecánico. Los condensadores pueden fallar debido a la ruptura dieléctrica debido a la tensión del campo eléctrico. Las interconexiones pueden fallar debido a los aumentos de resistencia debido al vaciamiento inducido por la electromigración como resultado de una tensión de alta densidad de corriente. Los transistores de efecto de campo de óxido de metal-silicio (MOSFET) pueden fallar debido a la generación del estado de la interfaz durante una tensión de campo / tensión. Los componentes mecánicos pueden fallar debido a la fluencia debido a una alta tensión de tracción. La corrosión del metal puede ocurrir debido a una alta tensión de humedad. Los componentes mecánicos pueden fallar debido a la fatiga que puede resultar de la tensión mecánica cíclica. Las superficies pueden desgastarse debido a un esfuerzo de fricción cortante. Los componentes pueden romperse debido a la propagación de grietas debido a la tensión termomecánica durante los ciclos de temperatura.

El estrés, como se usa en este texto, se referirá a cualquier agente externo que sea capaz de causar degradación en las propiedades del material, de manera que el dispositivo ya no pueda funcionar correctamente en su aplicación prevista. En el caso de los dieléctricos, esta podría ser la ruptura dieléctrica que ocurre cuando una tensión de campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica del material (por ejemplo, para SiO, esto es> 10 MV / cm). O, en el caso de los metales, esta podría ser la ruptura que ocurre cuando se aplica una tensión mecánica que excede la resistencia a la ruptura del metal (por ejemplo, para las interconexiones de aluminio esto es> 600 MPa). Sin embargo, incluso cuando un material se almacena a un nivel fijo de tensión menor que la resistencia del material, el material aún se degradará con el tiempo; por lo tanto, se espera eventualmente una falla del dispositivo.

El tiempo de falla observado (TF) dependerá de la temperatura y la magnitud de la tensión aplicada en relación con la resistencia a la ruptura del material. La resistencia a la rotura se define generalmente como el nivel de tensión en el que se espera que el material falle instantáneamente. Por instantáneo, se entiende que el TF es extremadamente corto (pocos segundos) en comparación con el TF (muchos años) cuando el material se somete a tensión al 50% de su resistencia a la rotura / rotura. Para asegurar que las fallas dependientes del tiempo se minimicen durante la vida útil esperada del producto, un buen diseño de ingeniería ha comprendido históricamente la distribución de las resistencias del material que probablemente resulten del procesamiento / fabricación normal y el nivel de tensión de diseño se ha mantenido muy por debajo de estos valores de fuerza. Esto generalmente se conoce como el enfoque del factor de seguridad para un mayor margen de confiabilidad.

Sin embargo, el enfoque del factor de seguridad es solo cualitativo (en relación con el modelado TF) y se está volviendo cada vez más difícil de usar para diseños agresivos. Por ejemplo, en los circuitos integrados donde los tamaños de las características del dispositivo continúan escalando agresivamente de acuerdo con la Ley de Moore (una reducción de 0.7x en el tamaño de la característica por nodo de tecnología), la escala generalmente ha causado que las densidades de corriente del dispositivo y los campos eléctricos aumenten, forzando lo normal Utilice condiciones para estar cada vez más cerca de la resistencia a la rotura de los materiales. Además, el ciclo de temperatura de los chips de silicio ensamblados generalmente conduce a grandes tensiones termomecánicas debido al desajuste de expansión térmica de los materiales diferentes utilizados en la fabricación de chips y en el proceso de ensamblaje.

Los dispositivos mecánicos también tienden a diseñarse agresivamente debido a las demandas de mayor rendimiento y / o reducción de costos de materiales. Esto sirve para acercar las condiciones operativas normales mucho más a la resistencia a la rotura de los materiales. La proximidad de la tensión de aplicación en relación con la resistencia del material (comúnmente conocida como margen de confiabilidad o regla de diseño), para lograr muchos años de funcionamiento confiable del dispositivo, depende de la tasa de degradación del material / dispositivo. La dependencia del estrés y la temperatura de esta tasa de degradación es el tema de la física de confiabilidad y normalmente se estudia mediante el uso de pruebas aceleradas.

Los capítulos 2 a 4 se concentrarán en la degradación del material / dispositivo y el desarrollo de modelos de TF de importancia crítica. Dado que el TF es de naturaleza estadística, en los Capítulos 5 y 6 se presenta una descripción general de las herramientas estadísticas necesarias. En el Capítulo 7 se presenta el modelado de la tasa de fallas. El uso de métodos de prueba acelerados y el modelado de los factores de aceleración se presentan en los Capítulos 8 y 9, respectivamente. En el Capítulo 10 se presentan importantes métodos de prueba de rampa a falla. En el Capítulo 11, se presentan modelos TF para mecanismos de falla seleccionados en aplicaciones de ingeniería eléctrica. Asimismo, en el Capítulo 12, se presentan modelos TF para mecanismos de falla seleccionados en aplicaciones de ingeniería mecánica. El Capítulo 13 describe cómo las tensiones dinámicas (dependientes del tiempo) se pueden convertir en equivalentes de valor estático para un uso fácil con todos los modelos desarrollados. El Capítulo 14 se centra en el uso práctico de los factores de mejora de la confiabilidad, durante el diseño y desarrollo inicial del producto, con el fin de aumentar la vida útil esperada del producto y reducir la tasa de falla esperada del dispositivo durante el uso por parte del cliente. El Capítulo 15 analiza el uso de tensiones elevadas de corta duración para eliminar dispositivos / materiales defectuosos. La importancia crítica de la generación y disipación de calor para la confiabilidad del dispositivo / materiales se analiza en el Capítulo 16. El libro concluye con el Capítulo 17, que analiza las estadísticas de muestreo y los intervalos de confianza para la determinación del nivel de defecto y para la determinación del FT.

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