什麼是材料特性分析？

瞭解任何實體裝置所使用的材料，是所有產品開發工作的基礎。這項稱為材料特性分析的過程，是對材料物理性質、化學組成和微結構進行系統性量測與分析的流程。 

材料工程師和科學家會善用各式分析技術和測試程序，取得有用資訊，以推動設計決策、促進準確模擬，並支援鑑識調查。特性分析技術可分為兩大類。第一類是顯微分析，使用各種裝置觀察原子、分子和晶體結構。第二類是宏觀測試，用於測量材料的整體特性。 

材料的行為基本上取決於材料中的元素，以及這些元素在微觀和宏觀尺度上的安排。這種行為之所以重要，是因為它能夠決定了產品效能和穩健性。雖然已有相關標準可用於呈現材料的理想組態，但加工差異和製造效應有可能造成偏差，進而改變材料的效能表現。材料特性分析可用於捕捉這些偏差，並決定標準規範未涵蓋的材料細節。

在材料科學這個重要領域中，較具影響力的幾項益處包括：

推動材料創新

深入瞭解聚合物中的鍵結、金屬中的晶體結構，或新合金中的磁導率，藉此帶領研究人員開發新的材料合成配方和流程。 

引導選用材料

相較於使用昂貴的原型反覆試錯，掌握材料特性有助於工程師針對最具挑戰性的應用，選用合適的材料。

提供模擬屬性

虛擬原型的準確度取決於模型輸入資料的準確度。準確且詳細的材料屬性，可實現全面性的模擬，不僅有利於產品開發，亦增進對產品效能的瞭解。 

洞悉失效或效能不良問題

當產品效能不良或失效時，下一步就是要瞭解原因。涵蓋材料特性分析的鑑識分析，可協助更深入瞭解問題的根本原因，並為好序改善措施提供指引。當失效問題引起法律問題時，適當的材料特性分析能夠決定訴訟結果。 

定義應用範圍

產品設計均按照特定規格設計。然而，材料的結構和屬性差異，可能延長或縮短產品壽命，也可能擴大或縮小產品的操作範圍。掌握這些差異，並搭配模擬和測試，有助於決定可接受的操作範圍。

材料特性分析的應用範圍，如同可量測的材料特性一樣廣泛。設備完善的材料特性分析實驗設施，有能力量測各種特性，範圍可涵蓋半導體晶圓薄膜層中的原子排列，再到陶瓷的表面硬度。

然而，最為常見的量測項目主要圍繞在材料成分、微觀結構和物理屬性；這三者可結合運用，以取得最為深入的洞察意見，例如用於電子可靠度應用的材料特性。

材料成分

材料的化學成分是影響其效能的重要推手。鈦合金組成的幾個鋁原子，可能大幅改變其剛度和降伏強度。常見的作法是使用適當類型的光譜儀，測量開發中或量產中的合金原子組成。

光譜儀器和繞射技術也可用於捕捉成分結構。為了掌握材料的整體行為，必須測量各種原子在晶體中的位置，或是聚合物的交聯長度等資訊。同時，也可以運用各種類型的顯微鏡，搭配對比劑以呈現材料成分。

微觀結構

材料屬性也會受到本身的微觀結構而影響。金屬的晶體拓撲會影響許多機械和電氣性質。各種晶體的排列方式，以及晶體間邊界的幾何形狀，也就是晶粒結構，則是微觀結構上的另一項重要材料特性。晶粒大小和結構是影響疲勞壽命及降伏強度的重要因素。

光學顯微鏡和電子顯微鏡是量測微觀結構最為常見的工具。繞射技術亦用於觀察材料內部。分析結果通常透過影像呈現，有助於材料科學家瞭解材料內部組成。

物理屬性

除了材料科學家以外，多數工程師所處理的物理屬性，通常是能概括材料整體機械、熱學、電學及電磁行為，並與幾何形狀無關的物理屬性。楊氏模數、蒲松比、密度、電磁導磁率、熱傳導率、斷裂韌性、表面粗糙度和電阻率等數值，都是人工計算和模擬中常用的熟悉參數。

物理屬性測試會用到各種常見設備進行，例如應力應變試驗機、熱電偶、電錶和電磁場 (EMF) 探針。多數性質都有主管機關所定義的標準測試方法，因此各家實驗室進行測試時，都能產生一樣的結果。

電子可靠度應用中的材料特性分析

材料特性分析的一個有力範例，就是將此領域應用於電子可靠度。這類應用會結合材料成分、微觀結構和物理屬性量測，協助工程師開發電子封裝，涵蓋軟性電路的物聯網感應器，到多處理器主機板等。 

電子組件以幾十個到幾百個不等的零件組成，每個零件又包含多種材料。在製程和實際使用環境中，這些元件會承受溫度變化、衝擊、振動、彎曲、電磁場、濕氣，有時還包括紫外線輻射所影響。這些值也全部必須隨時間進行量測。 

這類材料特性子領域應用於可靠度工程服務時，其目標是透過對電子元件，以及元件所連接的柔性或剛性印刷電路板，進行電氣、機械和可靠度特性分析，進一步瞭解並提升系統可靠度。 

由於大多數供應商不會提供此類資訊，因此這類測試通常是產品開發流程中預先規劃的一環。 

無論您是在州立大學進行材料分析，還是在企業材料特性實驗室工作，目標都相同：運用測試設備量測材料的物理屬性、組成或內部幾何結構。

下表列出最為常見的特性流程，以及這些流程所擷取的資訊。

雖然材料特性分析是材料科學中發展成熟的領域，並每天都廣泛應用於學術界和產業界，但在有效運用這項技術方面，仍存在一些重大挑戰。其中許多挑戰都與先進物理原理，以及用於原子或微觀尺度量測的高靈敏度設備密切相關。若未正確部署，材料性質的宏觀量測，也可能變得困難重重或成本高昂。

以下為七項最為常見的挑戰。

1.資本支出

設備和感測器的複雜性，使材料特性所需的許多裝置造價昂貴。此外，在執行單一測試之前，所需基礎架構也會帶來可觀的前期成本，例如無塵室、高純度氣體、真空幫浦等。善用外部合作夥伴或學術資源，有助於節省資本支出。

2.特性分析技術所需的相對應資訊

無論是開發新材料，還是對失效零件進行鑑識分析，常見挑戰之一都是找出能提供實用資訊的特性分析方法。應諮詢專家，並與材料、產品或品質管理團隊合作，共同規劃適當的分析方法。

3.材料變異性

大多數材料製程都會讓打算量測的特性，產生一定程度的變異。因此，每項分析都可能需要用到龐大樣本數，進而增加成本和延後交期。若能在前期先掌握變異性，並搭配良好的統計技術，有助於將樣本數降至最低。

4.結果判讀

大多數材料特性分析的結果，並非只是一個簡單的數值。它通常會是一組需要進行統計分析與簡化步驟的數據。另一方面，許多顯微分析法會產生需要由專家進行判讀的大量影像資料。這兩種情況都需要專家投入時間評估和判讀結果，這些專家也需要能將這些結果轉換為有用的資訊。

5.各種技術都有其能力上的限制

材料特性之所以有如此多的不同技術，箇中原因之一在於多數技術的應用範圍都非常有限。這些技術可能只適用於奈米材料或薄型樣本，也可能只能量測特定頻率範圍內的電磁場。這表示若要完整展現一種材料的特性，通常必須用上多種不同的技術。欲將這項挑戰的影響力降至最低，最好的方法是排定所需分析的優先順序，並將評估項目限制在絕對必要的範圍內。

6.冗長的交期

許多分析技術都需要耗時的樣品準備、冗長的測試程序，以及專家的結果判讀。再加上特定儀器可能面臨排程擠壓的情況，導致交期延宕，長達數週甚至數月之久。適當排程和管理資源，可降低對時程的影響。

7.材料特性分析的分類、儲存、擷取和傳輸

材料特性分析技術會產生大量資料，妥善分類、儲存於方便存取的位置、在需要時快速擷取，並依需求運送給其他使用者都是非常重要且不可或缺的。您應建立一套完善程序及全面材料資料管理系統，以管理您的材料情報。

對於正在研究、選擇或投入生產的材料，人們很容易將其相關資訊視為理所當然。從供應商取得的元件材料資訊更是如此。花時間識別、蒐集並運用這些關鍵資訊，應成為產品開發和生命週期管理流程的一環。

提供適當的材料特性解決方案和服務，可為企業或研究機構帶來顯著的競爭優勢。雖然這項能力十分重要，但在內部建立並維持完整的分析能力，未必符合實際需求。因此，找到合適的材料特性分析解決方案與服務合作夥伴至關重要。

Ansys 將世界級的材料特性分析能力納入其可靠度工程服務中。這支經驗豐富的團隊，能夠提供電氣、機械和可靠度特性服務。Ansys 是全球模擬領域的領導者，我們的團隊深知如何取得正確資訊，為您推動以模擬為核心的產品開發或失效分析流程。

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