降解物理：可靠性工程与可靠性科学的差异

质量和可靠性是产品商业成功的关键因素。可靠性测试通常使用破坏性方法在最终产品上进行。这意味着，如果可靠性测试失败，可能会增加成本和延迟。台湾可靠性科学与技术研究中心谭雪明教授从降级物理和降级机制识别的可靠性科学，提出了一种创新的方法。在最终产品组装之前，他基于物理、化学和材料科学的水平研究产品的可靠性。结合实验数据和仿真，他可以预测最终产品在各种运行条件下的可靠性，节省宝贵的时间和金钱。

我们可能会根据某些期望购买一块设备，并迅速对所收到的产品质量或其性能可靠性感到失望。现在消费者的大多数消费者在购买产品或服务前检查评论，使审查制造商和在线销售商的克星。负面评论可能会显着影响产品的销售，特别是那些重点关注质量差或不可靠的性能。虽然可以以直接的方式控制质量（更好的原材料，改进的制造工艺，改进的设计），但可靠性不易控制。这是无法检查每种产品的性能，因为可靠性测试通常涉及耗时和破坏性的测量。

确保可靠性的替代方法
可靠性可以随时间描述为质量，或者产品在延长时间或使用之后继续执行的产品的概率。特别是对于预期在某个时间戳和某些条件下保持其性能的产品，可靠性是关键。这种产品的一个重要类别是电子产品，例如半导体芯片或LED灯，可在日常生活的许多产品中找到广泛的应用。由于检查每个单个半导体和LED灯来实现可靠性是不切实际的，因此需要开发一种确保可靠性的新方法。

朝着这个方向，最近出现了一个利基研究区，研究了探讨了探讨了降级机制和确定可靠性统计的故障和材料科学的物理学。这是可靠性科学领域，其中实验，多尺度模拟和原子有限元建模并行使用，以便在努力开发方法和预测最终产品组装之前的组件的可靠性。以这种方式，在开发出'最终产品之前，将预先确定产品的可靠性，允许更快和更便宜的修改。这意味着当前在最终产品上执行时，电流可靠性测量将充当次要测量，确认最初预测的可靠性。

探索退化机制
在努力寻找产品的复杂性和“智能性”之间的平衡，他们的成本和可靠性，可靠性科学的先驱，雪茶教授，正在为未来的工作铺平道路。谭教授创立了台湾可靠性科学研究中心，他目前担任导演。他的作品一直专注于在产品最终组装前的可靠性研究的开发和实施，以降低与产品重新设计或其部件相关的成本，发射延迟，可用性或潜在需要回忆错误的物品。

TAN教授的愿景一直是将根据潜​​在产品的可靠性预测转移到最终产品的测试基于潜在物理学和物质化学化学的可靠性预测。

根据TAN教授的说法，确保产品可靠性的关键挑战是低成本，快速效果和高度可靠产品的同时需求。这些目标是彼此矛盾的，因为快速结果通常意味着高成本，高可靠性也意味着提高产品成本，而且公司试图降低产品成本，这通常会导致质量和可靠性较低。TAN教授的愿景一直是将可靠性测试的范式转移到最终产品的测试到个人产品的可靠性预测/计算，基于潜在物理学和物质降解的化学化学。他认为，鉴定原子水平的材料的降解机制和降解物理学，以及使用多尺度模拟，有限元建模，原子基材料模拟和密度函数理论制定的结果来扩大结果，可以导致预测，或者相当计算最终产品的可靠性，从长远来看，节省时间和金钱。

测试LED的亮度
TAN教授使用几种知名和广泛应用的产品进行了研究，努力展示他的创新方法和建立可靠性科学。使用LED和半导体作为示例，他和他的团队通过实验结合模拟来探讨了这种装置的常见退化机制背后的原因，该模拟证实了故障的物理学机制的建议机制。专注于LED，TAN教授最近发表了一篇关于白色LED的增加的腔通量的需要解释的文章（基本上是光明的光照闪耀的亮相），以及增加内腔与来自白色的光的变化与温暖的色调之间的平衡。这种变化归因于结合到LED设计中的荧光体层的厚度和浓度。结果表明，随着厚度和浓度的增加，LED的亮度将增加，达到温度升高和散射效应的点将使亮度增加并损害LED的可靠性以按预期执行。通过对这种行为背后的原因进行彻底调查，通过计算工作来实验和进一步支持，即在较高的磷光体颗粒的较高存在下反向光的光度导致性能降低。该工作的结果也可用于解释和预测壳体中封闭的LED的性能，而不是用于研究的“露天”LED。

由于水分和温度对硅树脂壳体的影响，另一种探讨了LED的性能的专注于户外应用中使用的LED的降低。结果表明，随着时间的推移，套管随着时间的推移而变色，导致LED亮度变化。变色归因于四种不同机制的硅氧烷老化机制，这是由于水分的存在并加速温度增加。TAN的工作棚（PUP预期）进入硅氧烷降解变色的方式（水解是老化的主要原因，热氧化是变色的主要原因）以及如何降解影响LED性能，因此可靠性。

半导体失效的化学与物理
除了发光二极管，谭教授还研究了半导体的降解物理和降解机理，从几个不同的角度研究了半导体的可靠性。他在化学和材料的层面上测试了半导体部件的防潮性，发展了一种理解，可以在不需要对最终产品进行湿度测试的情况下预测或确定此类产品的可靠性。通过识别官能团(一个化学术语，指的是易于与其他基团发生反应的基团，如水的基团，并改变材料的物质)和探索它们与水分的相互作用，一种新的测试方法被开发出来，以避免破坏性的评估。在这种情况下，了解用于制造半导体及其封装的材料的性能，就可以在最终产品组装前预测和/或修改其可靠性，从而避免进一步测试的需要。

谭教授过去研究了半导体外壳的防潮性能，还研究了5G芯片的设计电路，以及它可能如何影响芯片的可靠性。利用先进的显微镜技术，发现电路在高功率和高频率芯片的扩展使用中熔化，更深入的分析导致了故障机制解释的迹象。利用模拟来补充实验数据，谭教授和他的团队能够创建芯片的3D模型，并检查芯片上的磁场分布。他们发现，由于电磁效应产生了额外的电流，导致温度升高，随后电路材料熔化，导致芯片失效，这是由于一种不同于已经确定的机制。这些材料科学角度的失效机制的新信息可以用来改进芯片的设计，从而提高芯片的可靠性。

确保产品可靠性的关键挑战是低成本，快速效果和高度可靠产品的同时需求。

从电迁移到物质损坏
TAN教授在可靠性科学中的工作开始，他的电迁移研究开始作为集成互连材料失效的原因（电路部分之间的电气连接）。当材料被放置在某种形式的应力下时，可以将电迁移描述为材料结构中的原子的运动，例如当电力通过它时。这种运动可能导致材料结构内的微小，自然存在的空隙最终由于原子运动而形成，形成更大的空隙，这可以损害材料的稳定性并导致电路的操作损坏。

研究由于电迁移而导致的集成互连失败的时间，TAN组合实验分析和新型仿真方法，并提出了导致故障的电迁移中的三个阶段。这些是孵育微小的空隙，它们的成核（积聚），最后，它们的生长。这项工作的一个有趣的后续行动是通过压力迁移对失败的调查，通过模拟检查了影响在压力下不同材料的空隙成核和生长的因素的棕褐色。他得出结论，应力梯度和有效的体积模量（表达了如何在压力下变化的物质变化的程度）是其他参数影响压力诱导的排尿的两个因素。

可靠性科学的未来
简而言之，谭教授在可靠性科学方面的贡献对这门新兴学科至关重要，该学科利用实验和多尺度模拟相结合来解释失效和退化机制。随着产品设计复杂性、产品成本、质量和可靠性要求的提高，可靠性评估是绝对必要的，不应打折扣。在早期引入可靠性评估方法，在最终产品组装之前，在物理、化学和材料科学水平上实施评估，可以提高成本和时间效率。