产品可靠度保证实务(PDF90)加速寿命试验技术(1)

1、஑݃΀ውݺܔෂဣ੼!Ͳడထםཱ᝼ԍ௻߁ⓟ᚛ቂච΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-1-҅Ꮎ஑݃΀ውݺ產品品質設計製程材料人力與技術設施與裝備規格與規範市場或顧客需求一組固有特性可滿足產品或服務需求的程度時間有關定量評價影響因素維護定性評價可靠度可用度維護度可恃性時間無關成本不良率變異性安全其他感官特質外觀功能符合性產品品質之影響因素與評價؂س஑݃΀ውݺೃࡹ可靠度為產品於既定的時間內，在特定的使用﹝環境﹞條件下，執行特定性能或功能，成功達成工作目標的機率。由此定義可看出可靠度是由「功能」、「使用﹝環境﹞條件」、「時間」及「成功機率」等四個要素所組成。在這四個要素中，以成功機率為產品可靠度的整體指標。΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-2-Ͳడထםཱ᝼຦ة產品開發過程中，常須在實驗室內執行壽命試驗以評估產品於使用(Operation)環境下的操作壽命。但以目前科技水準而言，產品﹝尤其是已商業化之產品﹞的耐用性極佳，若欲以壽命試驗的作法，驗証產品操作壽命，則必然非常耗時且須投入大量的金錢，勢必將導致失去許多“商機”與“競爭力”。因此，如何在研發期。

2、限內，於實驗室中以加速壽命試驗(AcceleratedLifeTesting;ALT)的方法，測試並估計產品的操作壽命，便成為整體可靠度試驗工作中相當重要的一環，亦是產品可靠度保証最具挑戰性的課題。基本上，加速壽命試驗是在物理與時間上，加速﹝或加嚴(Exaggeration)﹞產品劣化的肇因，以較短的時間進行試驗，據以估計產品的操作壽命或可靠度。如果產品的劣化機構單純，擬訂加速壽命試驗計畫較容易。但實際產品失效往往牽涉到很多失效機制，即使欲同時加速，加速程度也因失效機制而異，可能發生迥異於實際操作上的失效模式。因此，加速壽命試驗之基本條件是不能破壞原㈲㈵性，要儘量選擇失效機制不變化的試驗條件，或失效機制容易單純化的試驗條件，使加速壽命試驗結果之適用範圍明確化。΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-3-Ͳడထםཱ᝼຦ةłᛪŃ「在預期壽限內，產品將經歷多少次的使用環境循環？」以及在加速試驗中「需執行多少個測試循環才“等於”產品在實際使用環境下的操作循環？」等問題，一直是加速試驗規劃執行者所關切的重點，亦是在試驗執行之前，工程師必須回答的問題。換句話說，規劃、執行加速壽命。

3、試驗最重要的工作，便是建立加速試驗的加速因子(AcceleratedFactor)。假設針對相同產品做二種不同「應力條件」﹝此處並非僅只“溫度”一項應力﹞的試驗，試驗結果得到低應力試驗條件之特徵壽命為1η，而高應力﹝加速﹞試驗條件之特徵壽命為2η，則)/(21ηη=ηA即為此試驗的加速因子。080000100000600004000020000Timet(hrs)老化程度t2=8000t1=80000高應力試驗條件低應力試驗條件Aη=10t1=Aη*t2加速壽命試驗觀念之示意圖΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-4-س৷ֳᇖ˿஑݃΀ውݺ۳ϑгσsσδδs干擾區域s,δ強度fδ(δ)應力fs(S)fδ(δ)或fs(S)強度應力干擾模式示意圖()()()[]∫∞∞−δ−=dssFsfRs1產品可靠度΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-5-س৷ֳᇖ˿஑݃΀ውݺ۳ϑгłᛪŃ時間t之失效機率分佈失效機率密度函數f(t)可靠度函數R(t)強度―應力分佈可靠度機率密度初始(時間0)強度分佈初始強度分佈時間t之強度分佈t應力分佈01.0時間0強度應力干擾與失。

4、效時間模式之關係示意圖΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-6-ISO9001(2000)Ķ7஑݃ဣ஋ķ୉̽၃ࡹ7.1產品實現之規劃7.3.3設計與發展輸出7.2顧客相關之流程設計與發展之輸出應以一種可針對設計與發展輸7.2.1產品相關需求之決定入予以驗証的形式提出，且應於釋出前經核可。組織應決定7.3.4設計與發展審查a)顧客指定之各項需求，包括各項交貨與交貨後活7.3.5設計與發展驗証(Verification)動之需求；b)非為顧客所述明，但為已知之明定或意欲使用所必須之各項需求；驗証應依據已規劃之計畫予以執行，以確保設計與發展輸出已達到各項設計與發展輸入需求。驗証結果以及任何必要措施之紀錄應予以維持。c)與產品相關的法令與法規需求；以及7.3.6設計與發展確認(Validation)d)由組織所決定之任何額外的需求。7.2.2產品相關需求之審查7.2.3顧客溝通7.3設計與發展設計與發展確認應根據已規劃之計畫予以執行，以確保所得產品可達成已知之既訂應用或意欲使用的各項需求。確認結果以及任何必須之措施的紀錄應予以維持。7.3.1設計與發展規劃7.3.7設計與發。

5、展變更之管制組織應規劃及管制產品之設計與發展。7.4採購7.3.2設計與發展輸入7.5生產與服務提供應決定與產品相關需求之輸入且紀錄應予維持。7.6監督與量測裝置之管制΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-7-否實體﹝原型﹞製造΀ውݺཱ᝼᝼ෂ(TimeDomain)是否滿足規格需求是可靠度統計分析΀ውݺк۾΀ውݺሣᄐ製程規劃與評鑑先導生產可靠度鑑定是否滿足規格需求？是否批量生產可靠度接收是否滿足規格需求？是否安裝與售後服務顧客反映可靠度問題分析與改善可靠度設計準則應用΀ውݺఊ࡯̘ٺ᝼ෂ(PhysicalDomain)是否滿足規格需求？是否可靠度規格H.Y.Ke΀ውݺܔෂဣ੼຦ឯ΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-8-ृฃֳᇖ˿஑݃΀ውݺ۳ϑг時間電子管壽命機率密度函數﹝即壽命分佈﹞曲線例若定義某產品失效時間τ﹝隨機變數﹞不大於t的機率為()tF，則()()()∫=≤=tdfttF0Prτττ其中()tf為隨機變數t之機率密度函數(pdf)，()tF為其累積分佈函數(cdf)。產品可靠度﹝或稱在時間t以前產品不失效的機率﹞可依據上式推導為()()。

6、()∫∞ξξ=−=tdftFtR1΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-9-ृฃֳᇖ˿஑݃΀ውݺ۳ϑгłᛪŃ定義在時段1t與()122ttt之間的平均失效率λ“在時段開始前﹝1t之前﹞未失效，而在時段1t與2t之間每單位時間的失效機率”，其數學式為()()()()2111221,ttttRtttRtR−−=λ失效率函數()tλ亦稱危害率﹝Hazardrate;()th或瞬間失效率﹞則定義為“在時間間距()12ttt−=∆趨近於零()0→，時間t時之失效率”，亦即()()()tRtft=λ產品壽命期失效率函數λ(t)早夭期有用期磨耗期產品整體特徵曲線品管失效應力相關失效磨耗失效產品失效率函數與壽命之關係΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-10-ृฃֳᇖ˿஑݃΀ውݺ۳ϑгłᛪ2Ń(a)平均失效發生時間(MeanTimeToFailure;MTTF)產品平均失效發生時間﹝亦稱平均壽命﹞即機率理論所定義之產品失效發生時間的期望值(Expectedvalue)，亦即()()∫∫∞∞==00MTTFdttRdttft(b)平均失效間隔時間(MeanTime。

7、BetweenFailure;MTBF)產品平均失效間隔時間觀念僅適用於失效發生即行修復之可維修產品。MTBF的數學表示式為()rTdttft==∫∞0MTBF其中T為產品總操作﹝或總測試﹞時間，r則是T時間內之總失效數。此為產品平均失效間隔時間(MTBF)的點估計值。此處須強調“MTBF只有對可維修的產品才有意義”，此時MTBF之意義如同該產品之平均壽命()θ。更重要的是，只有在「可維修」與「失效率為常數」的雙重假設下，產品之可靠度函數才可表示為()MTBFttteeetR−−−===θλ,此時MTBF1=λ。΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-11-ᆥ༯ۀ΀ውݺཱ᝼᝼ෂ產品品質特性主要包括：性能或功能(PerformanceorFunction)；環境或堅韌性(EnvironmentorRobustness)；可靠度或耐久性(ReliabilityorEndurance)。可靠度試驗驗証作法不僅包括為驗證產品可靠度所規劃執行之可靠度試驗，就廣義而言，舉凡功能測試、成長試驗、鑑定與接收試驗、以及現場模擬與展示等皆屬於可靠度試驗驗證的範圍。換言之，廣義的可靠。

8、度試驗應包括性能試驗：固定時間和使用條件兩項要素，而且是在標準的環境條件，測試產品性能範圍與變化情形。環境試驗：固定時間與性能，而探討環境條件對產品之影響。壽命試驗：主要是固定性能與環境，探討時間對產品的影響。其中壽命試驗即狹義的可靠度試驗。΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-12-ጭ᝾΀ውݺཱ᝼ఄ࿳性能試驗(PerformanceTest)環境應力篩選(EnvironmentalStressScreening)環境發展試驗(EnvironmentalDevelopmentTest)可靠度發展/成長試驗(ReliabilityDevelopment/GrowthTest)環境應力篩選(EnvironmentalStressScreening)環境鑑定試驗(EnvironmentalQualificationTest)可靠度鑑定試驗(ReliabilityQualificationTest)環境應力篩選(EnvironmentalStressScreening)環境接收試驗(EnvironmentalAcceptanceTest)產品研製時程。

9、(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)研製產品可靠度設計階段發展階段鑑定階段生產階段可靠度試驗與研製產品可靠度成長關係圖生產可靠度接收試驗(ProductionReliabilityAcceptanceTest)΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-13-ᑸဋᐷˉᎃᏖ(ESS)!顧名思義，ESS乃利用外加的環境應力使潛存於產品中的瑕疵提早曝露，然後利用各種檢驗或試驗方法將這些帶有疵病的產品找出來，將之剔除或檢修，確使通過篩選的產品都具有優良品質與高可靠度。ESS之目的即在篩除其中的早夭及畸型(Infantandfreakpopulation)群體部份，而保留主群體(Mainpopulation)。主分佈產品強度畸型分佈機率密度函數典型的產品強度機率密度函數΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-14-ᑸဋᐷˉᎃᏖ(ESS)łᛪŃ環境應力權重後位階6003603002401801201502102703303090溫度循環隨機振動高溫電應力熱衝擊定額正弦振動低溫正弦掃描振動複合環境衝擊濕度加速度高度各種外加環境應力之相對篩選。

10、效益Ć就溫度循環與隨機振動所篩出的疵病而言，溫度循環約佔77%~79%，隨機振動則為21%~23%ᎃᏖΕͲᑸဋᐷˉ˿Ꮦጦ零件可靠度篩選a.常用的電子零組件篩選方法為：穩定烘烤、溫度循環、離心加速度、密封測試、燒入﹝或預燒﹞、高溫或低溫測試製程環境應力篩選a.常用的PCB與佈線線帶篩選方法為：溫度循環b.常用的模組篩選方法為：溫度循環及隨機振動成品可靠度保證試驗a.常用的成品篩選方法為：預燒、溫度循環、隨機振動΀ውݺܔෂԍ௻ဣ੼Ͳడထםཱ᝼ԍ௻柯煇耀(H.Y.Ke)-15-ᑸဋᐷˉᎃᏖ(ESS)ሳ֞註：1.符號＊表示執行功能測試。2.溫度變率為10≧℃⁄分鐘，循環次數3次。3.保溫時間：高、低溫各三小時，每循環需6小時。4.功測循環：第一、三循環功測。5.失效處理：失效時，補做該循環。6.加電電源採極值電壓：﹝低溫功測時，採規格下限；高溫功測時，採規格上限﹞-40時間1＊溫度(℃)652323＊＊高低溫極值範圍愈大，所需循環數愈少，成本愈低，但以不破壞正常硬品為限。溫度變化率愈高，所產生之熱應力愈大。但對於焊接點而言，溫度變化過快時，時間往往不足以使裂縫完全成長﹝裂開﹞，因。