品质漫谈--产品可靠度

产品可靠度一、前言现已进入本专栏的第九个主题，「产品可靠度」是产品力竞争的核心，可以从多角度面向解读，从使用者言，是经久耐用、寿命长、少故障，从经营者言，是提高产品形象、售价高、少维修成本，从设计者言，是产品性能佳、足够设计边际、故障少，从专业者言，可在严格环境下正常使用，产品性能不失真，从学术者言，其故障机率低、成功完成任务机会高，尤其科技产品、工业用品、军事装备/组件等，其可靠度程度已成为买卖合约的一部份，本文同前以二个不同角度出发分别说明，即企业执行上常见问题和盲点（称负面表列），以及企业如何做可以事半功倍，超越同业（正面表列），文中皆为笔者长年工作心得，皆有许多例证，欢迎各界参考指教！二、企业常见问题和盲点：1.产品可靠度知识，未能普及于研发设计单位参加可靠度课程企业内训成员，绝大部份是非研发单位（只有极少数杰出企业以研发单位为主），而公开性课程参加学员，最近几年才逐渐有研发工程师参加，这代表产品可靠度知识，尚未获研发单位的重视，然而可靠度是要设计进去，生产及工程单位无着力点，品保单位只能做验证和监督的角色，既然台商企业研发单位普遍不重视可靠度，就代表台商产品的可靠度并没有竞争优势，若产品要升级往工业用品、精密仪器、军事装备发展，必然面临重大瓶颈！同样情况于半导体产品，在产品介绍文件（DataBook）中，很少看到有关半导体可靠度的说明，例如故障率、使用时间/环境相对于产品特性变化情况、应力和强度分布比较、各种不同组件的加速参数、电子运动活化能的数值等，几乎完全空白，这表示台半导体并没有可靠度竞争优势，但对半导体产业言，可靠度要求是生存要件，所以产品可靠度知识才是台湾未来急切要发展的机会和空间，而最重要的是〝系统厂要能普及于研发设计单位〞、〝零件厂要能深耕于制程整合技术〞，因可靠度是设计进去，是产品技术（系统品）、制程技术（零组件）的一部份，若欲提高产品可靠度且不增加成本，是需要设计上、技术上、材料上、零件选用等有所创新突破，这才是产品升级的核心能力，愈先进国家其企业就愈重视产品（含零件、装备、系统）可靠度，相对产值、单价也较高，这是世界产品链的自然趋势，台商应认清此事实，会做产品来销售只是开始，能做顶尖产品（可靠度佳）提高利润，才是持续生存、成长的要件，但这都要从研发/技术单位开始，并普及成为一种设计规范、准则，不能只靠品保的验证、监督，是缓不济急的！2.大部份设计者观念，仍然受限于规格范围在1980前的产品质量观念是〝符合规格〞（ConfirmtoSpec），测试也以规格公差极限值(如：A±10%，即测A＋10%和A－10%的范围)为最高测试条件(称〝4CornerTest〞)，若有超过规格范围测试，则视同无效，有问题故障，设计者也不予理会！但以后发现纵使测试合格并不代表什么，市场仍然有故障发生（如落下试验合格，市场仍然发现有外壳裂问题；电源输入合格，仍然有电源输入故障问题等），因此就提出除符合规格外，应有足够设计边际(DesignMargin)概念，以减少市场故障机会，进而在规格范围内测试已找不到问题，不同厂牌零件/产品也无从比较优劣高低，于是测试观念改为比较性(非绝对性之Pass或Fail)，方法上则深入了解各厂牌的设计边际有多大，愈大表示愈佳，市场退修愈少，优劣比较立即现形，故世界级公司内部于1980年代中期即持续改变测试观念和方法，直至1995左右才有正式文章，要打破测试规格框架，方法则不依相关规范、标准，以实际使用角度，自定义方法，找出设计边际或机能界限或故障界限，除比较产品优劣外，并深入故障分析了解产品设计弱点，若是自己设计的产品，则设法不增加成本下，解决产品的弱点（从经验角度，8成问题皆可不增加成本解决问题）！笔者自1990年起即开始介绍上述观念和方法，并举台半导体曾被日本世界公司认证测试的例子，虽然受训者皆能接受，但毕竟研发设计者成员尚少，故台商大部份研发设计者的测试概念，仍然受限于规格框架内，这是可靠度推展主要障碍之一，真不知世界已如此进步，居然还有许许多多〝井底蛙〞正等待被开导和教育呢！3.设计者并不了解零件/材料的特性及变化若对系统产品施加逐步应力测试（SST）直至故障为止，经故障分析大部份情况会发现某些特定零件很容易出问题，再进一步追查其零件特性参数（耐压、电流、温度、波形、偏压等）和故障的关连性，我们就会质疑例如：(1)温度提高，为何特性变差(2)输入波形失真，为何故障增加(3)耐压不足(4)偏压降低，为何电流大增而故障(5)低操作温度下，为何消耗电流增加等，其实这些质疑就是设计者事前并不了解零件特性及变化，贸然使用某零件的结果，通常系统产品设计者最欠缺零件知识（零件特质、变化、可靠度），以为电阻只用其〝阻抗奥姆值〞，不知有温度系数、杂音系数、频率效应等，以为用电容只用〝容量值〞，不知有漏电流、电压额定值，电压改变容值等，又如电解电容故障率高应少用、钽质电容于温度高时故障率大增、变压器的导磁系数和漆包耐热等级是影响可靠度的关键、陶瓷电容便宜稳定可靠度又佳、半导体基材及制程方式是可靠度原点且典型活化能愈低者愈佳等不胜枚举，只要足够了解各种零件特性及变化，自然很容易使用适当的零件可靠度提高，成本却不增加，甚或降低。零件产品也是相同情况，通常零件厂商工程师较了解制程技术（含设备能力），但对下阶所用材料特性却不是很清楚，例如塑料材料有温度软化点、二次料添加率会影响承受应力强度、封装制程的黏着剂亦有散热性能、封装材料之凝结制程和引脚所能承受应力强度有关、背光板或LED所用填充剂材料的光效应不但重要且亦有散热效果，印刷线路板内隔层材质的膨胀系数/绝缘阻抗/吸水性和可靠度有关等，同样也可举许多材质特性及其变化，和可靠度之间的关系，这就是为什么强调设计者要能深入了解零件/材料的特性及变化，对可靠度提升会有很大的帮助。4.零件数据文件（DataSheet或ApproveSheet），皆欠缺可靠度描述所谓可靠度描述，是指故障率多少，如何计算，基础数据库又何来，或指产品特性（Y轴）和使用时间（X轴）变化曲线，或重要产品性能（Y轴）和外部使用环境应力（X轴）变化曲线，或故障率（Y轴）和外部应力（X轴）的变化曲线等；若为材料的可靠度描述，则针对寿命特性(绝缘、耐压、耐温、热传、强度、光学等，Y轴）和时间或使用应力（X轴）之间的〝老化曲线〞来表达，若为机构件，则较倾向于在特定使用环境下的材料强度分布为何，其出现故障的机率又如何等，这些可靠度特性数据是如何产生（用实验或使用数据统计或参考国际文件等），如果设计者选用零件前能仔细了解上述技术文件，并有适当思考逻辑（即可靠度佳，性能好，价格可接受），则不用担心系统产品可靠度会差到那里去，但目前国内却面临(1)供货商所提供的零件技术数据（含半导体），有关可靠度部份完全欠缺(2)设计者不会看也不会要求供货商提供此数据文件，这也是台商普遍没有可靠度竞争力因素之一。5.过度强调学理数学运算，忽略提升产品可靠度本质可靠度是一种应用科学，利用成熟的数学统计概念、已知的物理特性原理和试验/管理知识去提升零件、产品、系统的可靠度水平，因学术界较强调学理探讨，不知不觉中就走入数学统计领域，而忽略如何提高可靠度的应用界面，企业界直接面对实体零件、产品问题，倾向如何解决问题，对学理探讨反而没有兴趣，因此可靠度课程讲授之老师和学生若为不同领域者（如老师为学术界，学生为企业界），就产生极大的学习认知断差，同时也造成相互间的误解，其实可靠度是一体多面，只要能融会贯通，从任何角度解读，同样可达提升可靠度的目的，早期的可靠度教学过于强调数学统计运算，或强调军事装备武器系统可靠度，动不动就谈数学及军规，真把企业界的学生搞得一头雾水，这也是企业可靠度推展缓慢原因之一，不要过度强调学理数学运算，而迷失自己；例如：电子产品的故障呈指数模式，就拿来使用，不要再去证明是呈何种分布，真的若有例外则后续试验和市场响应数据即可反证之！又当试验数据分析使用中阶值法代入时，不要再去探讨中阶值法的适用性，而予怀疑！又如实验分析使用韦氏机率纸，找出特性寿命、斜率时，就不需花很多时间去演算，韦氏分布及方程式来龙去脉等；有些人真的误解产品可靠度就是一堆数学，来推算故障率和成功完成任务的机会，而忽略提升产品可靠度的本质，其实完全不懂数学也可以做好产品可靠度，例如：(1)教导做实验、试验找出产品弱点，加以改善(2)教导建立制程筛选作业，第1年退修率即可明显下降(3)指导零件使用减额准则，建立规范，即可大幅提升可靠度等，这些只需正确观念和方法，数学根本用不上呢！6.传统验证测试方式，已不符所需数年前曾协助某上市公司且又获国家质量奖，当时发现该公司的产品寿命试验居然置于办公室内，我不经思索脱口即说〝你们寿命试验，咙做假的！〞，因为此试验完全没有加速概念，投入资源多却找不到问题，所以不是安慰自己就是骗客户！还有制程筛选过程是黑盒子作业完全没有任何记录，又如何能分析呢！还有某上市公司设备完善，美式厂房，工厂洁净如新，当看到可程序设定环境试验室正在做环境试验时，居然发现是25℃环境条件，和放在外面办公室内并没有差别，不但没有加速且设备又没有发挥作用，由此可知该公司的可靠度知识贫乏，投入很多资源却没有效用，做秀的意义大于实质！传统验证测试方式，例如：(1)做静态（同批进出）寿命试验，问题追踪速度慢，应改为动态方式(2)若寿命试验并未有加速，欲快速取得产品信息，应施加温度、电压、电流等应力参数(3)寿命试验以时间为基轴，时间较长，在目前快速工商环境下，已不符所需，可考虑用高度加速试验或用逐步应力测试（SST）取代之，可快速取得产品决策信息(4)温度循环测试，都找不到问题，自我安慰其实若真的有问题，是质量而非可靠度范围，因温度循环对产品的冲击很小，找不出产品潜在弱点的，应改为〝温度冲击试验〞(5)贮存试验（存放于高/低温下，及/或高湿环境），因电子零件最差额定是85℃加上设计边际，至少都有100℃以上，而低温存放更不是问题（重要的是〝低温启动〞），若不考虑塑料软化问题，贮存试验通常也是自我安慰而已！(6)机构冲击试验，因向量分散，应力减小，倒不如用落下试验取代较实用！(7)振动试验，含包装外箱静态（不加电源）振动是找不到问题的，有继电器(Relay)及玻璃零件是不适当做振动试验的，整台成品裸机静态亦找不到问题，振动重力加速度如果1g以下也找不到潜在问题，对电子业言，振动对侦测不良焊点有效，所以最好能以基板组装（PCBA）加电源、讯号测试，而振动量5-6g为宜，自然就可以找到产品焊接的弱点；以上是随手举例很多传统试验做法已不适当，若不去检讨改善，只是浪费资源，做做秀对外行客户还是有效的！7.成效不彰的可靠度推行方式可靠度推展轨迹似乎和质量路径相似，质量推动开始由品保单位一肩挑，之后才影响到生产及工程单位，再向前影响研发设计质量，台商发展可靠度绝大部份皆从品保的验证测试单位开始（一般称PA/DQA/QE/QR等），初期的测试条件及故障一定会和研发工程师有争论，经深入了解后才会逐渐让研发单位支持，继而设法建立设计准则，而验证单位的方法也不断创新，可用最少的资源得到最大的产品弱点信息，这个过程几句话就可说完，但却要经历许多时间的冲突、疑惑、了解、学习、支持、自发最后才成为开发过程且标准化的一部份，笔者曾教导杰出企业，一开始就从研发端学习可靠度，果然一路成长从未衰退过，产品也愈多元，最终成为企业集团，这是有远见公司不用走传统路径，而直接进入核心，少走冤枉路，跳跃式成长，观念差之毫厘，结果却差之千里之故啊！于此特别提醒所有台商产品可靠度推展，若从品保单位开始，会成效不彰原地踏步，向前走三步又后退二步半的道理，最好能一开始就从研发要求，只有向前走步，是不会向后退的。8.随便指定主事者，阻碍可靠度推展当企业有意愿推展产品可靠度时，另一种可能负面问题是指定不适任的主事者，笔者曾辅助许多顾问个案，也有少部份推展不顺情况，其中涉及研发主事者占多数，虽然可靠度是设计进去，若能由研发直接涉入和展开，效果最佳，因此就随意指定一名研发经副理负责全案推动，方向似乎正确