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可靠度科學開山祖師:產品未出便知結果好壞

陳始明說,可靠度科學研究可以用科學計算得出可靠數據,縮短以往用大量時間人力測試產品可靠度的做法。林昭儀攝

當產品迭代週期時間縮短,而市場激烈競爭下必須抓準上市時間,否則可能錯失機會。對人命關天的產品如汽車、醫療器材,或是牽一髮而動全身的5G基地台傳輸設備等產品而言,可靠度驗證更是關鍵。如何在可靠度、成本和時間當中取得最佳解,成為業者的大考驗。

長庚大學重金禮聘的新加坡專家陳始明,針對這個考驗建立了一門新學問,被英國Research Outreach期刊譽為「可靠度科學」的開山祖師,創辦的長庚大學可靠度科學研究中心也是第一個被英飛凌(Infineon)選為業務夥伴的亞洲學術機構研究中心。目前研究的項目包括石墨烯在可靠度的應用、電子零件和電路的可靠度預估及其衰退物理、系統可靠度及維修理論等。DIGITIMES訪問陳始明教授,談可靠度科學如何為上述的業界需求提出解決方案:

問:請說明一下「可靠度科學」和一般業界所從事的「可靠度工程」之間的差別?

答:二次世界大戰之後,業界做的主要是可靠度工程,也就是對已經生產出來的產品做可靠度測試,並評估耐用度、壽命和安全度。然而現在的問題點在於,產品從設計生產到上市的時間變得很短,沒有時間去做冗長繁瑣的測試。此外,如果不幸做出來測試不過,又要重新修改、分析,而且分析也未必到位,因此曠日廢時,時間上會來不及。

另外一種做法就是過度設計,使用較貴的零件,讓產品壽命長一些,但這樣成本很高,不利於普及化。5G、物聯網(IoT)裝置之類的產品,如果要普及,成本就不能高。

這就來到一個瓶頸了:產品上市時間要快,成本要低,卻又要可靠,可是當所有的產品都要Smart,就會愈來愈複雜,當然可靠度就會下降。這是自然定律。

這些需求加在一起,如果用目前的可靠度工程的方法,設計完再來測試,都不符合需求。因而我研發出「可靠度科學」,是一套不同的方法。東西還沒做出來,就能知道後面結果好或壞。這跟醫學在嬰兒還沒出生前,就可進行基因檢測是一樣的道理。我的方法就是,產品設計圖出來後,會選擇什麼材料以及零組件等等,我就根據這些資料,進行運算,來算出可靠度。

如果是用超級電腦,就可以用比較短的時間取得分析結果。如果有設計上的瑕疵,就可以在計算的過程中找出來問題點。並且在電腦中修改,求得最佳化。然後再依據這個最佳化數據去改進產品,之後往往就能通過測試。

因此,時間可以縮短,可靠度可以確認,甚至在不同的計算方式中,可以辨識出,哪些零組件要用比較好的,哪些可以妥協。所以,可靠度以前是用測的,我現在是用算的。

以前也有專家運用計算方式來做,但他根據的是經驗模式。我們則是根據基礎物理化學來算。我們把一個產品,在指定的使用環境條件底下,不管是溫度、濕度、電流、電壓等,都能用物理化學的基礎來算可靠度和壽命。

問:這能算是一種人工智慧(AI)模型嗎?

答:AI是根據現有的數據來做機器學習,我們則是在數據法則還不存在之前,就把法則歸納出來的。運算的方法比較複雜,例如需要運用到量子物理學、化學等基礎科學的計算。

這套研究方法,我在2016年就創立了「可靠度科學」這個名稱,只是那時候還沒有很多驗證案例。最近做的一個案子,連化學反應都可以算得出來。根據長庚大學可靠度中心官網資料顯示,已經完成16個研究項目,還有7個項目在進行。

目前的基礎科學,已經研究得透徹到我們可以建構方程式,解出方程式,並且做推論計算。我們就是應用這些基礎科學深入的計算,在可靠度的研究上面,成為可靠度科學。

問:是否能把可靠度科學應用在汽車產業上?

答:可靠度科學適用於所有需要驗證可靠度的產品上,可以在設計完之後,進行計算,評估設計的良莠,可靠度與產品壽命,以及採用哪些材料可能會有更好的效果。汽車的可靠度要求很高,使用期限至少20年。此外,使用的環境條件非常苛刻,比如在路上跑,外面溫度很高,車子裡面卻要讓乘客體感溫度覺得舒服。在這麼嚴格的條件底下,材料的衰減情況,我們都可用計算得知。

以目前的技術,材料和零組件或許無法改變,但可以改變運作的環境,讓它更安全耐用。舉例來說,我們在2013~2014年,幫德國BMW電動車驗證鋰電池的可靠度。鋰電池無法耐高溫,最高只能到攝氏55度,超過會爆炸;溫度也不能過低,零度以下就容易壞。知道了鋰電池可靠度所需條件後,做了一個箱子,把電池放裡面,除了有防震的功能外,箱子裡面有空調,會自動檢測溫度,確保電池箱內溫度維持在0~55度C區間。 

當然汽車電子也可以用另一個方法來做,就是研發更厲害的零組件。但要研發也得先知道方向,可以計算所需要的環境,這樣可以節省很多在黑暗中摸索的時間與人力、物力。

問:未來的智慧交通與5G有密切關聯,5G也需要可靠度科學驗證嗎?

答:可靠度和穩定度對未來汽車、智慧交通影響很大的5G,也是非常重要。因為5G傳輸距離非常短,因此需要很多基地台,而這些基地台的分布,除了區域廣之外,密度也高。萬一那麼多的基地台中間,死掉一個,訊號就傳不過去了。如果無法確保穩定度,為了保險起見,一個地點裝兩個,那麼成本就是兩倍。由於基數很大,兩倍成本將十分驚人,業者是吃不消的,也不利普及。因此可靠度非常重要,也是我們正在研究的。

陳始明是長庚大學可靠度科學研究中心主任,加入長庚前任教於新加坡南洋理工大學,並參與新加坡智慧交通計畫項目。為2020年IEEE EDS特聘講師(可靠度)和EDS電子元件學會可靠度物理委員會成員,2019年應邀成為IEEE標準1624(組織可靠度能力評定)和1431.1(IEEE選擇和使用可靠度預測指南),2020年應邀成為IEEE標準2818 (可靠度應力分析和降額)的可靠度標準工作組成員。

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