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可靠度科学开山祖师:产品未出便知结果好坏

陈始明说,可靠度科学研究可以用科学计算得出可靠数据,缩短以往用大量时间人力测试产品可靠度的做法。林昭仪摄

当产品迭代周期时间缩短,而市场激烈竞争下必须抓准上市时间,否则可能错失机会。对人命关天的产品如汽车、医疗器材,或是牵一发而动全身的5G基地台传输设备等产品而言,可靠度验证更是关键。如何在可靠度、成本和时间当中取得最佳解,成为业者的大考验。

长庚大学重金礼聘的新加坡专家陈始明,针对这个考验建立了一门新学问,被英国Research Outreach期刊誉为「可靠度科学」的开山祖师,创办的长庚大学可靠度科学研究中心也是第一个被英飞凌(Infineon)选为业务伙伴的亚洲学术机构研究中心。目前研究的项目包括石墨烯在可靠度的应用、电子零件和电路的可靠度预估及其衰退物理、系统可靠度及维修理论等。DIGITIMES访问陈始明教授,谈可靠度科学如何为上述的业界需求提出解决方案:

问:请说明一下「可靠度科学」和一般业界所从事的「可靠度工程」之间的差别?

答:二次世界大战之后,业界做的主要是可靠度工程,也就是对已经生产出来的产品做可靠度测试,并评估耐用度、寿命和安全度。然而现在的问题点在于,产品从设计生产到上市的时间变得很短,没有时间去做冗长繁琐的测试。此外,如果不幸做出来测试不过,又要重新修改、分析,而且分析也未必到位,因此旷日废时,时间上会来不及。

另外一种做法就是过度设计,使用较贵的零件,让产品寿命长一些,但这样成本很高,不利于普及化。5G、物联网(IoT)装置之类的产品,如果要普及,成本就不能高。

这就来到一个瓶颈了:产品上市时间要快,成本要低,却又要可靠,可是当所有的产品都要Smart,就会愈来愈复杂,当然可靠度就会下降。这是自然定律。

这些需求加在一起,如果用目前的可靠度工程的方法,设计完再来测试,都不符合需求。因而我研发出「可靠度科学」,是一套不同的方法。东西还没做出来,就能知道后面结果好或坏。这跟医学在婴儿还没出生前,就可进行基因检测是一样的道理。我的方法就是,产品设计图出来后,会选择什么材料以及零组件等等,我就根据这些资料,进行运算,来算出可靠度。

如果是用超级计算机,就可以用比较短的时间取得分析结果。如果有设计上的瑕疵,就可以在计算的过程中找出来问题点。并且在计算机中修改,求得最佳化。然后再依据这个最佳化数据去改进产品,之后往往就能通过测试。

因此,时间可以缩短,可靠度可以确认,甚至在不同的计算方式中,可以辨识出,哪里些零组件要用比较好的,哪里些可以妥协。所以,可靠度以前是用测的,我现在是用算的。

以前也有专家运用计算方式来做,但他根据的是经验模式。我们则是根据基础物理化学来算。我们把一个产品,在指定的使用环境条件底下,不管是温度、湿度、电流、电压等,都能用物理化学的基础来算可靠度和寿命。

问:这能算是一种人工智能(AI)模型吗?

答:AI是根据现有的数据来做机器学习,我们则是在数据法则还不存在之前,就把法则归纳出来的。运算的方法比较复杂,例如需要运用到量子物理学、化学等基础科学的计算。

这套研究方法,我在2016年就创立了「可靠度科学」这个名称,只是那时候还没有很多验证案例。最近做的一个案子,连化学反应都可以算得出来。根据长庚大学可靠度中心官网资料显示,已经完成16个研究项目,还有7个项目在进行。

目前的基础科学,已经研究得透彻到我们可以建构方程序,解出方程序,并且做推论计算。我们就是应用这些基础科学深入的计算,在可靠度的研究上面,成为可靠度科学。

问:是否能把可靠度科学应用在汽车产业上?

答:可靠度科学适用于所有需要验证可靠度的产品上,可以在设计完之后,进行计算,评估设计的良莠,可靠度与产品寿命,以及采用哪里些材料可能会有更好的效果。汽车的可靠度要求很高,使用期限至少20年。此外,使用的环境条件非常苛刻,比如在路上跑,外面温度很高,车子里面却要让乘客体感温度觉得舒服。在这么严格的条件底下,材料的衰减情况,我们都可用计算得知。

以目前的技术,材料和零组件或许无法改变,但可以改变运行的环境,让它更安全耐用。举例来说,我们在2013~2014年,帮德国BMW电动车验证锂电池的可靠度。锂电池无法耐高温,最高只能到摄氏55度,超过会爆炸;温度也不能过低,零度以下就容易坏。知道了锂电池可靠度所需条件后,做了一个箱子,把电池放里面,除了有防震的功能外,箱子里面有空调,会自动检测温度,确保电池箱内温度维持在0~55度C区间。 

当然汽车电子也可以用另一个方法来做,就是研发更厉害的零组件。但要研发也得先知道方向,可以计算所需要的环境,这样可以节省很多在黑暗中摸索的时间与人力、物力。

问:未来的智能交通与5G有密切关联,5G也需要可靠度科学验证吗?

答:可靠度和稳定度对未来汽车、智能交通影响很大的5G,也是非常重要。因为5G传输距离非常短,因此需要很多基地台,而这些基地台的分布,除了区域广之外,密度也高。万一那么多的基地台中间,死掉一个,讯号就传不过去了。如果无法确保稳定度,为了保险起见,一个地点装两个,那么成本就是两倍。由于基数很大,两倍成本将十分惊人,业者是吃不消的,也不利普及。因此可靠度非常重要,也是我们正在研究的。

陈始明是长庚大学可靠度科学研究中心主任,加入长庚前任教于新加坡南洋理工大学,并参与新加坡智能交通计画项目。为2020年IEEE EDS特聘讲师(可靠度)和EDS电子元件学会可靠度物理委员会成员,2019年应邀成为IEEE标准1624(组织可靠度能力评定)和1431.1(IEEE选择和使用可靠度预测指南),2020年应邀成为IEEE标准2818 (可靠度应力分析和降额)的可靠度标准工作组成员。

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