可靠性和结构函数

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1974年，Vint Cerf和Robert Kahn提出了TCP/IP协议，这一创新在当时并未引起广泛关注，但随着互联网的爆炸式发展，它成为了全球信息通讯的基石。TCP/IP协议不仅解决了不同计算机网络之间的通信问题，更为后来的万维网、电子邮件以及无数在线服务的诞生奠定了基础。2007年苹果公司发布的iPhone。第一代，第二代乃至第三代iPhone，并没有形成很强的社会影响力，而iPhone 4的出现，凭借其直观的用户界面、强大的功能集成以及后续App Store的推出，彻底改变了人们的生活方式和商业模式。它不仅推动了移动互联网时代的到来，还促进了移动应用生态系统的繁荣，对全球经济和社会产生了不可估量的影响。

在科技的长河中，有些事情或发现初时看似平凡无奇，却在未来的日子里逐渐展现出其深远的影响力，成为改变世界的关键节点。这些事件最初可能只是科技领域的一小步，但随着时间的推移，它们的价值和意义被不断放大，证明了即使是最不起眼的技术突破，也有可能成为颠覆传统的伟大创新。

可靠性行业具有广泛的研究和应用前景，早期的可靠性起源于军事装备制造行业，并在军工领域取得了巨大成就。但传统的可靠性评价体系并不精确，无法实现可靠性的正向设计，主要存在以下几点问题：

²管理层不懂可靠性；

²缺乏足够的数据及模型；

²无成熟的理论模型支持正向设计；

²可靠性部门与设计部门之间难以协同；

²需求不足，企业投入不够。

北京航空航天大学是世界上唯一建立可靠性学院的学校。1985年，我国可靠性系统工程事业的奠基人和开拓者杨为民教授组建了北航工程系统工程系和可靠性工程研究所，历经进40年的沉淀，发展成可靠性与系统工程学院，已成为国内可靠性工程专业技术领域的领军单位。

可靠性学院的确信可靠性中心提出了确信可靠性理论，构建了可靠性建模分析与科学实验验证理论体系，形成了覆盖全系统、全场景、全周期的颠覆传统可靠性技术的确信可靠性技术体系。确信可靠性理论，基于三个科学原理（裕量可靠原理、退化永恒原理、不确定性原理），建立了4个方程（学科方程、退化方程、裕量方程、度量方程），通过求解这4个方程，可以开展以确信可靠度为目标的产品正向设计。

2024年12月12日，北京航空航天大学—鲁欧智造（山东）数字科技有限公司确信可靠性联合实验室揭牌仪式在北京航空航天大学举行。鲁欧智造专注于电子散热行业热测试/热分析以及热数字孪生领域基础技术研究，在电子产品的热设计和可靠性方面有着多年的积累，并立足于自主研发，打破了国际巨头在瞬态热测试及可靠性评价工具的垄断。鲁欧智造的瞬态热测试设备CX系列及功率循环设备CXPC系列，其技术指标和性能均达到了国际先进水平，是可以平替国际巨头产品的国内解决方案。

鲁欧智造的可靠性评价工具，并不是简单的复制了国际巨头的功能。在设计这种实验台架的时候，鲁欧智造根据用户的需求，在保持原有功能的基础上，做了一些实质性的创新：

Ø多通道可以独立工作，使得设备利用率有效提高；

Ø独立采样，提高数据精度；

ØNPS功能，可以建立NTC/PTC和结温之间的瞬态关系；

Ø夹具设计及实验设计，明确测试数据的物理意义。

行业应用在不断发展，行业技术也被不断创新，在可靠性评价方面也不例外。可靠性的功率循环实验台架，设备通过输出恒定的电流去施加周期性的载荷，从而达到加速实验的目的。以汽车的电控模块为例，功率模组的使用工况和加速实验模型有一定的差距，通过加速实验的数据，如何实际等效到产品的实际工作工况，一直是行业不能解决但难以回避的问题。

针对此行业需求，鲁欧智造也积极探索，2024年实现了In-field功率循环的功能，后面经过系统验证，将在2025年下半年推向市场。

什么是In-field的功率循环呢？

图一现有功率循环存在的问题

目前的功率循环试验中的ton，toff是固定值，自始至终不会改变，ΔTj固定模式下的Ih的调节也只为了满足固定的结温变化条件。这样的试验模式并不能直接体现功率半导体在实际Mission Profile下的寿命评估。换言之，通过目前的功率循环试验可以得到，ton，toff以及Ih等设定条件与半导体器件老化程度之间的相应关系，但是因为这里的ton，toff，Ih并非器件实际的Mission Profile条件，所以不能把老化程度跟器件的实际寿命做直接关联，特别是在针对可靠性要求高的功率器件时，In-field可靠性功率循环试验变得很重要。

图二，In-field功率循环解决方案

In-field可靠性功率循环会根据Mission Profile导出的Power Profile或者Tj Profile来实时调整ton，toff，Ih设定值来推进老化试验，把整个Mission Profile周期作为一个cycle，重复施加，实现对半导体器件的加速老化。因为该功率循环的载荷谱更接近于汽车行驶的参考工况，其结温的变化和汽车实际行驶时结温变化相近，加速老化的数据也更能体现功率模块的实际性能。因此，In-field可靠性功率循环试验可以通过半导体器件的老化程度对其寿命进行更直接，准确的评估和预测。

在整个可靠性老化的评价过程中，鲁欧智造的工具设计方案使用穿插结构函数的方式提取材料退化数据。电子产品的可靠性和热强相关，结构函数反应对应热容下的热阻值，也就是材料的热参数。电子产品的工作载荷产生的交变应力，导致材料产生损伤性疲劳，这种疲劳可以用结构函数的漂移值去量化，两种不同的老化模式，但如果结构函数的漂移值相等，我们可以认为这两种模式在材料退化上是等效的。这样可以建立等结温的加速实验，In-field的加速实验，以及功率模块实际使用过程中的材料退化之间的关系。也可以这么理解，一定程度上，这种对材料退化量化评价的方案，有效的补充了北航的三个科学原理（裕量可靠原理、退化永恒原理、不确定性原理），和4个方程（学科方程、退化方程、裕量方程、度量方程）。我想这可能也是北航选择鲁欧智造建立确信可靠性联合实验室的根本原因。