可靠度分析工具 Reliability

Weibull(含設限與批次數量)・分布比較・ALT・HTOL / THB / HAST → FIT / MTTF|離線單檔,資料不離開本機

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1. 輸入壽命資料

每列格式:時間、狀態、[顆數]。狀態可寫 F / 1 / 失效 = 失效;C / S / 0 / 設限 = 右設限(測試結束仍存活)。支援第 3 欄填寫重複顆數(例如 1000 C 72 代表 72 顆於 1000h 設限),省去逐列貼上;展開後總數上限 5,000 顆。只有一欄時視為單顆失效。

2. 分析設定

MLE 為業界主流方法,能正確將右設限樣品納入概似函數並提供漸近信賴區間;LSXY 以 Benard 中位秩(設限時用 Johnson 調整秩)迴歸 X(時間) 於 Y,適合小樣本視覺對照。

1. 多溫度壽命資料

每列格式:時間、狀態(F / C)、應力溫度 °C、[顆數](例如 1500 C 125 5 代表 125°C 有 5 顆在 1500h 右設限)。需至少 2 個溫度水準有失效。

2. 模型設定

Arrhenius 壽命–應力關係(所有溫度共用形狀參數): ln(特徵壽命) = A + Ea / (k·T) k = 8.617333×10⁻⁵ eV/K Weibull:ln η = A + Ea/(kT),β 共用;對數常態:μ = A + Ea/(kT),σ 共用

1. 驗證目標與假設

例:產品壽命或保固期間的使用時數

取自歷史資料或 Weibull 分析;β 越大,延長測試越有效

可用 HTOL / ALT 頁算出的 AF;無加速填 1

r = 0 即零失效試驗(Weibayes)

Weibayes(β 已知):所需樣本數 n ≥ [χ²(C ; 2r+2) / 2] × (t / (T·AF))^β / (−ln R) r = 0 時 χ²(C;2)/2 = −ln(1−C),即 n = ln(1−C) / [ (T·AF/t)^β · ln R ]

2. 試驗方案

樣本數 vs 測試時間(不同 β)

3. 敏感度表:所需樣本數

欄:等效測試時間 / 任務時間(T·AF / t)。β 估錯的風險很大:β 越小,靠延長測試時間換樣本數的效果越差。

4. 已完成的測試 → 可宣稱的可靠度

假設所有樣品測試同樣時間(失效品以測試結束時間計,結果偏保守)。η 下限:η_L^β = 2·n·(T·AF)^β / χ²(C; 2r+2);可宣稱 R(t) = exp[−(t/η_L)^β]。

1. 測試與環境應力條件

例:AEC-Q100 常用 3 lots × 77 = 231 ea

請填 Tj = Ta + Pd×θja(勿直接填烤箱 Ta)

Ea 須依失效機制與客戶規範選定。焊點熱疲勞屬溫度循環(TC)機制,應使用 Coffin-Manson / Norris-Landzberg 模型,不適用此 Arrhenius 計算。

2. 計算結果

計算過程

3. 若出現 r 顆失效時的 FIT

同樣的測試量,每多 1 顆失效,FIT 上限會跳升;這是規劃樣本數時要預留的風險。

4. 反推:達成目標 FIT 需要多少樣本

1. 分組壽命資料

組別可為設計版本、供應商、批號、產線等(2 組以上)。每組需至少 2 個失效點,並有足以辨識參數的觀測時間變異。

2. 設定

概似比檢定(LR test),三個模型: ① 各組各自 β、η(完整模型) ② 共同 β、各組 η(形狀相同) ③ 全部合併成一組(完全相同) 形狀相同? LR = 2(lnL① − lnL②) ~ χ²(k−1) 尺度相同? LR = 2(lnL② − lnL③) ~ χ²(k−1) 分布相同? LR = 2(lnL① − lnL③) ~ χ²(2(k−1))

課堂演練:台灣電子業 4 個實戰案例

使用方式:選擇案例 → 閱讀情境 → 依序按「操作步驟」按鈕(自動填入資料與參數並切到對應分頁)→ 觀察結果、思考提問 → 按右下角按鈕回到本頁 → 按「顯示解答」核對。

為什麼一定要處理「設限資料」?與定時讀點(Readout)注意事項

可靠度測試多半在固定時數(例如 1000h)結束,這時仍存活的樣品並不是「沒有資料」,而是「至少活到這個時間」。若把它們丟掉只用失效點估計,會嚴重低估壽命;若把結束時間當成失效時間,也一樣會低估。MLE 會把設限樣品以存活機率 R(t) 正確放進概似函數。

電子廠實務提醒(Readout Interval Censoring):若試驗採用 168h / 500h / 1000h 定時下機量測(而非 In-situ 連續監控),在 500h 量到的失效實際發生於 (168, 500] 區間內。直接以 500h 作為精確失效時間會稍微高估早期的失效時間並影響斜率 β;當同一讀點有多顆失效時,機率圖上會呈現垂直點列。

ln L = Σ失效 ln f(tᵢ) + Σ設限 ln R(tⱼ) Weibull:R(t) = exp[−(t/η)^β], f(t) = (β/η)(t/η)^(β−1) R(t)
β 與 η 怎麼看?遇到折線(S 型曲線)怎麼辦?

β(形狀):β < 1 失效率隨時間下降(早夭,常見於製程缺陷、焊接不良、氧化層針孔,可用 burn-in 或製程改善篩除);β ≈ 1 失效率固定(隨機失效,指數分布是 β = 1 的特例);β > 1 失效率上升(磨耗,如電解電容乾涸、電遷移 EM、TDDB、焊點熱疲勞)。

η(尺度,特徵壽命):不論 β 為多少,到 t = η 時都有 63.2% 的樣品失效。

B10 壽命:10% 樣品失效的時間,常用於規格與保固討論。MTTF = η·Γ(1 + 1/β),在 β 偏離 1 時不宜單獨用來描述可靠度。

競爭失效模式(Competing Failure Modes):若 Weibull 機率圖呈現明顯的「折線(Dog-leg)」或 S 型彎曲,通常代表樣品同時存在兩種以上失效機制(例如前期為製程缺陷 β < 1,後期為材料磨耗 β > 1)。此時不宜盲目改套三參數 Weibull 或對數常態,正確做法是透過失效分析(FA)區分失效模式,計算 A 機制時將 B 機制視為右設限(反之亦然),分別配適各自的 Weibull 模型。

HTOL / THB / HAST 換算 FIT 的公式(JEDEC JESD47 / JEP122)
溫度 Arrhenius:AF_T = exp[ (Ea / k) · (1/T_use − 1/T_stress) ] k = 8.617333×10⁻⁵ eV/K,T 用絕對溫度 K 電壓加速(指數):AF_V = exp[ γ · (V_stress − V_use) ] (常用於 IC 閘極氧化層 / 偏壓加速) 電壓加速(IPL) :AF_V = (V_stress / V_use)^n (常用於 MLCC、電容、被動元件,n 常取 2.5~4) 濕度(Peck 模型):AF_RH = (RH_stress / RH_use)^m (常用於 85°C/85%RH THB 與 HAST,m 常取 2.66~3.0) 總加速因子 AF = AF_T × AF_V × AF_RH 等效元件小時 = N × t × AF λ_upper = χ²(CL ; 2r + 2) / (2 × 等效元件小時) [1/h] FIT = λ_upper × 10⁹ MTTF = 1 / λ_upper

此方法假設使用期間失效率固定(指數分布,β = 1)。請特別確認溫度為晶片接面溫度 Tj = Ta + Pd × θja,而非恆溫槽環境溫度 Ta。

加速壽命試驗(ALT)怎麼看?

在 2 個以上的高溫下測試,假設失效機制不變(各溫度形狀參數相同、機率圖呈平行線),再用 Arrhenius 關係把壽命外推到使用溫度。Ea 越大,溫度對壽命的影響越大。外推距離越遠,信賴區間越寬;測試溫度太高可能引發使用條件下不會出現的失效機制(如封裝超過玻璃轉換溫度 Tg),必須以失效分析確認。

AF(T_use → T_stress) = exp[ Ea/k · (1/T_use − 1/T_stress) ] 使用溫度下的 B 壽命 = 測試溫度下的 B 壽命 × AF
零失效驗證試驗(Weibayes)與 AEC-Q100「231 顆 vs. 230 顆」的由來

當 β 可由歷史資料合理假設時,「n 顆測 T 小時都沒壞」就能推得特徵壽命下限,進而宣稱任務時間 t 的可靠度。T·AF = t 且 r = 0 時即為傳統的無母數零失效公式。

為什麼 R = 99%、C = 90%、r = 0 時,公式算出 230 顆,但 AEC-Q100 / Q200 規範卻規定 231 顆(3 lots × 77 ea)?

  • 二項式精確公式(Success-Run):Rn = 1 − C ⇒ n = ln(1−C) / ln R = ln(0.10) / ln(0.99) = 229.105 → 無條件進位為 230 顆。
  • Poisson / 卡方小失效率近似:當失效率 p = 1 − R = 0.01 很小時,ln R = ln(1−p) ≈ −p,因此 n ≈ −ln(1−C) / (1−R) = 2.302585 / 0.01 = 230.26 → 無條件進位為 231 顆。
  • AEC-Q100 的 3 lots × 77 ea:77 顆來自單批 LTPD = 3%、90% 信賴、0 失效的抽樣計畫(ln(0.10) / ln(0.97) ≈ 75.6,Poisson 近似 2.3026 / 0.03 ≈ 76.75 → 77 顆);3 批合計 231 顆,恰與上式 R = 99% / C = 90% 的 Poisson 近似結果一致,因此常被並列說明。
進階分析:多組比較、可靠度成長、保固預測

多組 Weibull 比較:以概似比檢定依序回答「形狀(失效機制)是否相同」與「尺度(壽命長短)是否相同」。若形狀不同,代表失效機制可能不同,直接比較 η 或 B10 要小心。

Crow-AMSAA:適用於開發階段「測試–分析–修正」的可修復系統。β < 1 表示配適的失效強度隨測試時間下降;修正是否有效,仍須對照修正紀錄、失效分析與暴露條件;可推估達到目標 MTBF 還需要多少測試時間。時間截尾時 β 的信賴區間依 χ²(2n),失效截尾時依 χ²(2(n−1))。

保固預測:把 Nevada 表轉成區間設限的壽命資料估計 Weibull,再依每個出貨批的「已使用月數」推估未來各月退貨。預測假設失效模式與使用條件不變;設計變更、批次異常或季節性需要另外處理。

本工具的計算方法與限制
  • Weibull MLE:以 profile likelihood 解 β(二分法),η 為封閉解;信賴區間使用 Fisher 資訊矩陣常態近似(對數轉換),與常見統計軟體的預設做法一致。
  • LSXY:X(ln 時間)對 Y 迴歸;繪圖位置為 Benard 中位秩,設限時使用 Johnson 調整秩。
  • 對數常態以 Nelder-Mead 最佳化求 MLE;指數分布為封閉解。
  • 分布辨識:常態、對數常態、Loglogistic 以 Nelder-Mead 求 MLE;三參數 Weibull 以 profile likelihood 搜尋門檻值 γ。Anderson-Darling 以 Kaplan-Meier 經驗分布積分計算(完整資料時等於傳統 A² 公式)。
  • 加速壽命:Weibull / 對數常態 – Arrhenius 模型,共用形狀參數,MLE 以 Nelder-Mead 求解,信賴區間由數值 Hessian 推得。
  • 壽命與 ALT 頁支援右設限(right-censored)與批次顆數欄位;保固頁另支援月齡區間設限。
  • 正式報告前,建議以已知資料集或其他統計軟體(例如 R、Minitab、Weibull++)交叉驗證。