【產學合作】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。

文章出處：DIGITIMES 智慧應用