论坛精彩讲稿回顾|从可靠性工程到可靠性科学

1986年1月28日，挑战者号航天飞机在发射后73秒发生爆炸，七名宇航员全部罹难。事故的原因令人扼腕：一场严重的寒潮导致两个橡胶O型圈的弹性显著降低，而它们从未在如此低温下进行过测试。工程师们曾忧心忡忡，甚至写出题为“救命！”的备忘录，但管理层最终仍决定照常发射。

这场悲剧揭示了一个深刻的困境：管理层看不到工程师所见，工程师也无法确定产品未来会如何退化或失效。

如何打破这一困局？答案或许在于一场根本性的范式转变——从“可靠性工程”走向“可靠性科学”。

从可靠性工程到可靠性科学

陈始明；陈博士于1992年获得多伦多大学电机工程博士学位。在1996年至2014年加入南洋理工大学（NTU）担任教员之前，他在电子行业的可靠性方面拥有10年的工作经验。随后，他加入台湾长庚大学，在台湾成立可靠性科学与技术研究中心，并担任中心主任。现任长庚大学电子系教授、台湾明智科技大学名誉讲座教授。陈博士发表400+篇国际期刊和会议论文，在国际会议上发表30+主题报告，100+次特邀报告，在国际会议上发表多篇教程。他拥有 21 项专利和 1 项可靠性软件版权。他在可靠性领域撰写了 14 本书和书籍章节。现为《科学报告》、《自然出版集团》编辑、IEEE TDMR编辑、SpringerBrief in Reliability系列编辑、MDPI Applied Research编辑、Journal of Frontier of thin film编辑、Microelectronic 副主编。

产品退化或失败是一种自然科学现象。人类的智慧通常在经历这些事件之前是有限的。让我们利用自然科学的智慧来理解产品退化或失败。这就是可靠性科学。

被英国Research Outreach期刊誉为“可靠度科学开山祖师”的陈始明教授，在长庚大学创立了可靠度科学研究中心。该中心是第一个被英飞凌（Infineon）选为业务伙伴的亚洲学术机构研究中心。

其研究领域涵盖：

·石墨烯在可靠度中的应用

·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

当前可靠性方法的局限性

目前主流的可靠性验证方法是：按照国际标准对已生产出的产品进行测试。

·当没有失效时：我们得出结论“可靠性得到确认”。但测试样本为零失效，能否代表整批产品？测试条件能否准确反映正常使用条件下的失效机理？

·当出现失效时：分析失效时间，计算MTTF或t₅₀。但这些计算结果与正常使用条件下的产品寿命有何关系？同样，它们能否代表整批产品？

更关键的问题是：产品必须先生产出来才能进行可靠性测试。如果测试不通过，我们还有时间重新设计或重新加工吗？

范式转变的本质

“范式转变”是指某一学科或领域在基本概念和实践方面的根本性变化。它引领一个新的框架，显著改变解决问题的方式和解释现象的方法。

在可靠性领域，我们需要回答一个根本性问题：

能否在产品制造出来之前，就设计和生产出具有指定可靠性的产品？

如果答案是肯定的，那么：

·成本将大幅降低

·可靠性测试将仅作为验证手段

这正是可靠性科学追求的愿景。

定义与核心

可靠性科学是探索支配材料退化和失效的基础科学。

它试图从根本上理解：材料为什么会退化？退化速率由什么决定？如何预测和控制？

可靠性科学的三大能力

1、帮助管理层看见工程师所见：通过事件和后果的可视化（仿真与建模的力量），让管理层真正理解工程问题。但这要求仿真建模必须是基于科学的。

2、帮助工程师理解产品未来如何退化：借助可靠性的力量。

3、指导测试的充分性：什么样的测试才是充分的？不仅仅是按标准执行。

复杂系统的可靠性管理

对于复杂系统，可靠性科学通过数学方法帮助识别系统中各部分的可靠性水平，找出薄弱环节，在设计阶段就适当融入可靠性，而无需要求所有部件都具有高可靠性——后者会不必要地增加系统成本。

实例一：LED户外应用中的硅胶退化

问题：在湿气和光照条件下，大功率LED的PDMS（聚二甲基硅氧烷）表面出现变色，导致总光输出下降，缩短了LED的应用寿命。

关键科学问题：

·退化的机理是什么？

·能否避免？

·是否存在特定的操作条件和环境条件可以减缓退化？即：什么决定了退化速率？

研究方法：

·采用原子级建模（Atomistic Modelling）

·通过过渡态搜索计算，识别水解反应和缩合反应的最小能量路径（MEP）

·用自由能变化（ΔG）和反应坐标描述反应过程

实验结果：

建立的数字模型:

变色面积随时间的增长：V_d(t) = A₀ + A₂e^(A₁t)

其中A₁取决于：

·光强度（蓝光和黄光）

·活化能和相对湿度水平

·硅胶体积

·硅胶中的初始空隙尺寸

·环境温度

基于模型，可以预测不同条件下的寿命。

实例二：集成电路中的应力诱导空洞

通过三维电路模型，研究集成电路中的互连可靠性，分析电流密度分布，识别潜在失效位置。

实例三：飞机发电机轴承可靠性

问题：备用发电机的风扇不平衡问题，根源在于球轴承磨损。

解决方案：

·预测球轴承何时进入磨损失效阶段

·在该时刻仅更换轴承（系统计划停机）

可靠性数据分析：

经济效益：

·轴承更换成本：S$3,500

·整机更换成本：S$46,784

·单次更换节省：S$43,284

从挑战者号的悲剧到LED蜕变的科学解析，从集成电路空洞模拟到发电机轴承的预测性维护，可靠性科学正在改变我们保障产品可靠性的方式。

范式转变的核心在于：从“事后验证”走向“事前预测”，从“工程经验”走向“科学基础”。

产品未出，便知结果好坏——这不再是神话，而是可靠性科学正在实现的未来。