降低返修率 提高产品可靠性

降低返修率 提高产品可靠性

京信通信系统(广州)有限公司 崔国昌

摘要: 本文就电子产品常见返修问题进行了分析，从可靠性角度提出了改进产品筛选的办法，并对提高产品可靠性提出了独到见解。

关键词:责任故障 非责任故障 可靠性应力筛选 筛选度 老练筛选 循环筛选

着眼点
返修产品直接加大了产品销售成本，吞食着企业经营效益，影响到客户的企业信誉，造成潜在市场损失，因此降低产品返修率具有不容质疑的经济效益。姑且不论当前各企业的实际产品返修率（无准确数据），假定以质量目标可以允许的正常返修率≤ 3 ％为据，年产1 万台产品的返修数可达300 台，其返修耗费也是决不容忽视的。对于年产几十万、几百万台产品的一个企业来说，不要说把返修率降低一个数量级，即使降低一个百分点对企业也是具有重要实际意义的。一个企业决不可忽视降低产品返修率所带来的技术经济效益。

返修分类
尽管返修产品千差万别，返修情况各有不同，但就其返修性质而言，基本可以归纳为两类：
(1) 责任故障（或“硬”故障）：产品未经投入使用而发生的返修。例如，由于收发货、包装、贮存失误，运输损坏，安装不当等造成的返修，均可归入责任故障。 此类返修的突出特征是与产品本身的固有性能无关。此类返修随着企业管理的正规化会逐步减少。
(2) 非责任故障（或“软”故障）：正常出厂的产品在投入使用短期内（例如一个月内）而发生的返修。此类返修往往与产品本身内在的固有性能相关，其原因可能涉及到设计、制造、元器件选用、试验与检验等相关环节。此类返修一般随着产量的增加而增加。

很显然，两类返修原因不同，其解决办法也就不同。对于“硬”故障只要通过加强管理、完善质量保证体系一般就会得到满意解决。而对于“软”故障就不仅仅是一个管理问题，在更大意义上毋宁说是产品可靠性问题，我们必须在产品可靠性方面进行一些必要地分析研究。

我们所感兴趣的是，在当前产品可靠性指标均不作变动的情况下，探讨有没有通过改进产品现有环境试验程序而降低产品返修率的可能性。
改进筛选程序的探讨“可靠性应力筛选”（reliability stress screening）是在施加一定应力条件下，剔除不合格或有可能早期失效产品的一种有效方法。毫无疑问，通过环境试验，很多“问题”产品可以得到较好控制，这当中当然包括一部分可能早期失效的产品，这对减少返修率肯定起到了不可忽视的作用。
为了弄清上述试验程序的理论价值，我们不可不将当前环境试验的筛选度作以定量分析。所谓“筛选度“（screening strength），即经过筛选，对某类早期故障已筛选出的早期故障产品的比率。其数学模型为：[公式详见可靠性论坛里的附件]

为在给定的筛选应力下，对这种应力敏感的早期故障的平均故障率。
以下，按《产品环境试验程序》规定的试验条件，我们分别对高温老炼筛选、温度循环筛选、振动筛选的筛
选度进行估算：
1、 产品环境试验的筛选度
（1） 高温老炼筛选
根据上述数学模型，高温老炼筛选的筛选度定量表达式为：
S．S．=1－exp[－ 0.0017（R+ 0.6）0.6t ]
式中，R为选定老炼温度与正常环境温度（25℃）的温差；t 为老炼时间。
如果产品的老炼温度均为50℃，即R=25；老炼时间分别规定为24h 和12h。

（2）温度循环筛选
温度循环筛选度的定量表达式为:

（3）振动筛选
定频正弦振动筛选度的定量表达式为：

２、筛选度的对比分析
以行业标准YD / T644 － 93《通信整机老炼方法》为例，其规定的老炼温度和时间分别是：
(a) 室温条件下连续老炼720h;(b) 40℃条件下连续老炼144h;(c) 45℃条件下连续老炼72h;(d) 50℃条件下连续老炼48h;

我国军用元器件“七专”集成电路的老炼温度是125℃，老炼时间是168h,因此其筛选度为：S．S．1=1 －exp[－ 0.0017（100+0.6）0.6168 ] = 98.94％。筛选度是相当高的。另一方面，通过3.1 的计算我们还了解到，温度循环筛选和振动筛选当前的筛选度都过低，特别是定频振动的筛选度甚至还不到1％，实在有加以改进的必要。我们不求能把90％以上的早期失效产品都筛选出来，但是，假如我们能把现有筛选度提高30％至1 倍，那么我们因早期失效而返修的产品也就会相应减少到一个可观的比例，这自然是十分吸引人的。

3、改进产品环境试验程序的建议通过上述计算和比较，我们对影响筛选度的主要因素已经有所了解。只要我们改进这些条件，筛选度就会得到明显提高。
（1） 就高温老炼而言，影响筛选度的是老炼温度和老炼时间。当然我们可以提高老炼温度，但是，提高老炼温度要受到现有设备的制约。何况受元器件的限制，例如频率合成电路中晶体的工作温度最高为+60℃，我们就不可能把老炼温度定得过高。当前的55℃我认为是合适的。这就使得我们不能把老炼时间缩得太短。假如我们把老炼要求提高到55℃－ 48h，那么S.S.就可把现有的筛选度提高3.5倍，我以为这就非常值得考虑。因此，建议将产品环境试验规定的老炼时间至少确定为48h。
（2）对于温度循环筛选而言，影响筛选度的固然有1=1 － exp[－ 0.0017（30+0.6）0.648]=0.47， 就可把现有的筛选度提高3.5倍，我以为这就非常值得考虑。因此，建议将产品环境试验规定的老炼时间至少确定为48h。温度差，但是尤其要考虑的是温度变化率和循环次数。
我们现在确定的循环温度应该说是可行的。但是我们只作1次循环，而且1次要作5h，这既延长了筛选时间，又大大降低了温度变化率（平均温度变化率不到0.5℃ /min），这就大大削弱了施加的温度变化应力。 中国可靠性网！！！

（3）我们再看一下振动筛选。一般而言，定频振动和扫频振动筛选的效果都不够理想。因此国外振动筛选一般使用随机振动，国家标准GB2423.11～14 － 82 也对随机振动试验方法作出了规定。随机振动筛选度的定 量表达式为：S．S．=1 － exp（－ 0.0046Grms1.71t）
式中，Grms表示随机振动的强度，其值等于频谱加速度的总均方根。在同等筛选时间和振动加速度条件下，与定频振动和扫频振动相比，随机振动的筛选度要高得多。例如：加速度同样均为1g，振动时间同样都是10min，定频正弦振动筛选度是0.0047，扫频正弦振动筛选度是0.0072，而随机振动的筛选度是0.045；加速度5g，振动 时间10min，定频筛选度是0.0103，扫频筛选度是0.0287，随机筛选度是0.514。可见，我们应该探讨把现有振动筛 选改进为随机振动筛选的可能性。

反过来，假定现有设备不能实现随机振动，我们也应该尽量实行扫频筛选。我们不需对现有设备进行任何改造，只要把现在的振动时间由10min增加到30min，扫频振动的筛选度就会提高到14.7％，虽不算太高，可已把现有定频振动的筛选度（0.00525）提高了28倍！代价不大，效果可观。我以为还是可行的。
提高产品可靠性的若干思考进行环境应力筛选是提高产品可靠性、降低产品返修率的有效手段。但是，提高筛选度除了会受到设备条件限制外，同时也会加大筛选成本。我们不能期望筛选度都能达到军品的水平。我们只能期望筛选度达到一个对企业来讲合理而最佳的程度。我们的总原则应该使筛选成本的增加限制在返修成本之内。如果筛选成本大于返修成本，那么这种筛选方法就应该重新加以考虑。这就需要我们对现有产品的可靠性有一个粗略估计。
产品可靠性的一个重要参数是产品故障率。产品故障率取决于产品使用元器件的多少n，每种元器件在指 定环境下的通用失效率λGi及其质量系数πQi，如果第i种元器件的数量为NI。那么该产品故障率的数学模型为：
λ＝ΣNiλGiπQi
可见，产品所使用的每一种元器件都会对产品的可靠性带来影响。因此，加强对所选用的每一种元器件的控制都是必要的。
国家标准GB1772 － 79 规定的电子元器件失效率等级从亚五级（3 × 10 －5 / h）到十级（1 × 10 －10 / h）共有六个等级，除亚五级外，每级失效率相差10 倍。5级和10级相差105倍，可见所构成产品的可靠性差别之大。

产品平均无故障工作时间（MTBF）是最重要的可靠性参数之一。它取决于产品所有组部件和元器件的MTBF。而且小于其组部件和元器件MTBF 集合中最小的一个MTBF。因此，对所有元器件的MTBF 都应该进行控制，尤其要注意产品的薄弱环节和对产品性能起关键作用的关键件。
此外有些元器件的“偶然故障”也应加以特别注意。

比如，我们的产品中使用着不少对静电的“敏感器件”和“甚敏感器件”，如不少MOS 和“chottky”器件，即使合格的产品不加注意也可能在安装调试中受到损坏。类似这些元器件都应统一加强管理。 很多厂家都有产品质量特性与关键件控制程序。产品负责人在产品设计中应编制“产品质量特性与关键件 一览表“，提供物料部与生技部改进对产品关键件的控制。这样，在并不增加多少控制成本的情况下，也同样可以使我们的产品可靠性有所增加，有利于产品返修率的降低

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