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含鉛與無鉛焊點的電子元件失效分析

朋友們

威布爾分佈可說是含鉛與無鉛焊點失效分析中最重要的分佈。當人們試圖建模熱循環、跌落衝擊,或是與通孔及表面貼裝(SMT)組裝相關的其他失效模式時,這通常是首先會想到的分佈。

60次擲硬幣的紅色鐘形二項式機率曲線,峰值出現在接近30次正面時,以綠色標示。

一張黑白肖像照,照片中一位白髮短髮的長者身穿西裝,目光望向一旁。

在 60 次擲硬幣中擲出正面結果的機率,由二項式分佈來描述

韋布爾分佈是由瓦洛迪·韋布爾(Waloddi Weibull)於 1931 年「發明」的。羅伯特·阿伯內西(Robert Abernethy)博士在其關於韋布爾分析的著名教科書《新韋布爾手冊 》(The New Weibull Handbook) 中,曾提及這項「發明」的事實。這項陳述乍看之下 或許並無特別之處,直到我們深思:統計學中所有常見的分佈其實都是被「發現」的,而非「發明」的。最常見的三種統計分佈分別是正態分佈、泊松分佈和二項式分佈。 以二項式分佈為例,來探討這種被「發現」的統計分佈。此分佈除其他用途外,亦用以描述拋擲硬幣的機率。若您拋擲一枚公平硬幣 60 次,最可能的結果是出現 30 次正面(H)和 30 次反面(T),但出現 29 次正面和 31 次反面,或是 32 次正面和 28 次反面,其實也並非罕見。 數學分析顯示,其結果即為下圖所示的曲線。若進行多次擲幣實驗,這條曲線將能準確預測結果。這條曲線並非人為發明,而是從二項式分佈深厚的理論基礎中發現而來的。

瓦洛迪·韋布爾 1887-1979

韋布爾分佈之所以被提出,暗示韋布爾之所以選擇它,是因為它能適用於許多類型的失效資料。他將累積韋布爾分佈定義為:

方程式 F(t) = 1 − e^(−(t/η)^β),即韋布累積分佈函數。

其中,eta 為特徵壽命或尺度函數,beta 為斜率,而 F(t) 則為累積失效率。韋布爾提出此函數,是因為當 beta 小於 1 時,F(t) 描述的是「初期」失效現象。在此情況下,失效率會隨時間遞減。 當 beta 大於 1 時,則描述「磨損」失效,此時失效率會隨時間增加。在電子產品領域,我們通常會透過「燒機」來篩除初期失效。當 beta 等於 1 時,失效率保持恆定。這三種情況如圖所示。

Bathtub curve showing failure rate over time: early failure (β < 1), useful life (β = 1).

因此,在電子產品失效分析中,我們通常會繪製失效數據隨時間變化的曲線,以確定 β 和 η 值,通常會使用 Minitab® 等軟體來進行。

在下一篇貼文中,我們將分析一些失效數據,以確定 eta 和 beta 的數值,並探討它們的重要性。

韋布爾本人是個頗具特色的人物,關於他的現有資料,大部分都由阿伯內西記載下來。

毫無疑問,韋布爾確實是個精力充沛的人。他的第二任妻子比他年輕近50歲,而且他在約80歲時還生了一個女兒!

乾杯

羅恩博士