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可靠度測試 讓工業電腦更穩定
 

【作者: 王明德】   2014年07月28日 星期一

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工業電腦並沒有所謂的標準規格,由於其所面對的客戶千門萬類,必須針對每一產品提供客製化服務,這種少量多樣的特性,雖然讓工業電腦廠商得以獲得高毛利,不過也這也同時讓業者在各種產品的學習取現大幅縮短,在熟練度不足的情況下,要造出工業電腦廠商賴以自豪的高可靠度,過程的確備極艱辛。


圖一
圖一

工業電腦產品所處的環境與消費性產品相較,通常都要嚴苛許多,不是在工廠內就是室外,因此無論是對外在環境的抗力或是產品本身的強固性,都有一定的標準,而客戶通常也都極注重可靠度,不過對供應商來說,產品的可靠度要提升通常是來自於經驗,從製造過程中摸索才得以誕生,然而問題在於工業電腦產品對量的需求並不大,在學習曲線被迫縮短的情況下,必須做出遠高於一般產品的可靠度,挑戰相當大,因此對工業電腦廠商來說,各種可靠度檢測的標準便成為一道得以依循的規範,業者只要想盡辦法去合乎這些規範即可,而不像一般的消費性產品,在標準不明確或業界有志一同的漠視下,只能徒具形勢。


工業電腦的產品檢驗標準極為繁雜,從設計、物料的選 擇引進就有相關的 標準,例如IQC(Incoming Quality Control)就規定了供應商的品保,進入生產階段後,標準更是多如牛毛,包括PQC(製程管控)、OQC(出貨品保)、FQC(成品檢驗)都是標準之一,甚至到後來的客戶退貨,都有其RMA退貨標準。


這些標準對身處其中,每天都必須接觸的工業電腦廠商而言,就算不到瞭若指掌的程度,恐怕也相當接近了,但對系統整合業者來說,這些標準實在是族繁不及備載,要在這些標準中找出適合本身需求,詳加應用實屬不易,對此系統整合業者可與配合廠商多加溝通並確切執行,才能獲得所需可靠度的產品。


ESS偵測適應不佳產品


從使用環境來看,工業電腦元件或模組的產品,面對的環境比一般消費性產品都嚴苛許多,在工廠內的自動化設備,通常是高塵量,在交通控制或汽車電子,則是溫度則是一大考驗,在夏天陽光曝曬下,引擎旁的車體空間,溫度往往接近80℃,如果在高緯度國家,還必須忍受冬天時0℃以下的氣溫,這些惡劣環境常常是造成工業電腦可靠性失常的因素,系統整合廠商與工業電腦廠商合作時,可要求工業電腦業者採用ESS環境應力篩選,來淘汰適應力不佳的產品。


ESS(Environment Stress Screening)的作用在於偵測潛在的不良品,工業電腦產品在製造時,使用類似一般消費性產品的的製造流程,但消費品的可靠性要求不若工業等級嚴苛,雖然工業電腦業者所採用的物料都經過挑選,在強固與可靠度都有一定要求,物料的測試驗證主要仍鎖定於溫度與震動,溫度分為外在環境的高低溫與內在自身的發熱溫度,震動則是檢測在環境搖動下的物料穩定性,儘管這些物料都經過嚴苛的環境考驗,不過在整合製為成品後,還是需要經過模擬環境測試,才能挑出其中的潛在不良品。


物料經過測試後,廠商開始生產樣本,在樣本完成後,必須針對樣本做一系列的環境與可靠度的測試,包括震動、溫度、溼度、壓力、硬度等,另外特殊應用的產品則必須視狀況再另測特殊項目,例如之前的美伊戰爭,所使用的產品就必須要有防沙塵的設計與測試。


FMEA預估失效可能


就正常的品保流程來說,ESS通常是在FMEA(Failure Model Effects Analysis;失效模式分析)與DVT(樣本後再設計測試)之後,ESS可分為兩段式測試,包括製程中的IPQC製程檢驗與FQC的最終產品檢驗。產品的失效時期可分為三部分,剛開始時物品的損壞速度快而明顯,但到了特定臨界點,速度開始趨緩,失效成為偶發,當時間一拉長,再到另一臨界點時,失效狀況又開始激增,ESS便可描繪出這個稱之為「浴缸曲線」的失效率函數,將潛在的問題產品使之提前曝光淘汰,以確保出貨品質一致,降低退貨機率。


要降低退貨比例,提昇產品的可靠度,必須藉由各種可靠度測試,例如軍用產品的各種測試,軍用產品所處的環境惡劣,產品損壞所造成的影響也相當嚴重,因此從很早以前就對軍用品的可靠度有極為嚴苛的規範,這套規範後來延伸到民間,目前可靠度的規範中,較常用的是FMEA。


在產品設計時,從過去的經驗與各種資訊來預估該產品最可能的失效部分,並視狀況選擇補強設計或忍受,是FMEA的核心概念,比方說KIOSK,一部有MP3音樂下載功能的KIOSK,其對消費者開放的USB連接埠勢必使用頻繁而損害率高,這時設計者在設計初期即可就成本評估,是要選擇用成本高的特殊強固型USB埠,或是使用更替簡易的模組化元件。


使用軍方評估 讓品質更完善


FMEA的功能就是在設計初期,替設計者提出可能失效部分的衡量,讓設計者得知每一失效問題的發生頻率與後續的嚴重性,另外也可檢測該失效問題是否容易被察覺,如此一來,設計者在充分掌握狀況後,便可視其經濟效益,去選擇該在設計端就直接解決問題,或是其實失效問題的風險不高,解決問題的成本高於失效後的承擔成本,而選擇後者,這都可以從FMEA得知。


失效的評估除了FMEA外,FTA失效樹分析與MTBF平均故障∕失效評估也都是常用的模式,FTA失效樹分析多為軍方使用,它與FMEA類似,都是將預想問題一一列出,找出可能的解決方法,並評估經濟效益,MTBF則是用公式去抓出產品從出廠到首次故障的時間,來估算產品使用壽命,MTBF的標準多樣,其中則以美軍標準公信力較佳,採用的廠商也較多數,建議系統整合廠商可向其合作的工業電腦業者諮詢該數據。


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