宋荆汉：质保期内返修率的要求如何在设计验证时评估？

CQC

        目前一般制造业的硬件产品的利润比较微薄，普遍在5-10个点的样子，如果质量没控制好，在客户端出现大的退货及返修，由此导致的外部损失费用，可能会把整个利润都给侵蚀掉。因此，很多公司开始在设计阶段就开始进行精细化的管理，在做产品售价确定时，就需要把可能的售后成本评估出来，来更精确的核算产品成本。另外一方面，还涉及企业对质保期的质保承诺，质保需要付出的成本，又直接与产品返修率相关。

      品质人经常会看到，客户对产品的MTBF 或者 返修失效率的比例有一定要求。  但是这里有个问题，假定MTBF或者年返修率设定为3%，质量部作为质量要求传递给研发了，但研发设计人员，往往不知道该如何处理。总不能真运行1年再看结果吧？结果出来就已经迟了，产品都定型开卖了。那么如何才能提前预估到？

        这里针对2种不同情况，有不同的方法:

        第一种情况：在原有产品上进行优化和改动

• 参考类似产品的年总故障率、和各种故障的年度单一故障率，分类总结分析；
• 将新产品上的技术点和新选型的物料(如传感器、屏、连接器 等)罗列出来；
• 找到可参考的与过去产品所使用的技术或零部件相似的，以同类器件模块在参考产品上的故障率为依据(须注意，参考模块所附着的产品的使用环境条件应与新设计产品的环境条件近似相同)；
• 对每个故障的年故障率、和每一故障的机理分析，做出整改措施，并在新产品上将该措施做进去，并作出每一个故障整改后的故障率预测。
• 所有整改措施都加到新产品上之后，汇总其总的年度故障率指标，应满足年故障率要求。如不满足，则返回第3条的故障分析，继续优化措施降低故障率，反复迭代，直到最终的总故障率满足要求。
  

        第二种情况，是全新的产品

        全新的产品如何来评估这个产品的最终可能的失效率呢？

        在进入下面环节前，先讲几个基本转化的概念

        MTBF(Mean Time Between Failure)平均无故障间隔时间(单位：小时，h)，电子类产品的可靠度分布成指数分布，在随机失效期内其失效率为常数，具体的统计学推断大家自己查教科书，不累述了。由此可以推出失效率：

        比如正在运行中的100块存储器，1年之内出了3次故障，则故障率为0.03%/年。

        一般来说，服务器的主要部件MTBF，厂商标称值都在百万小时以上，服务器整体MTBF约25wh(约30年)，推导出年故障约3%，也就是说，100台服务器每年总要坏3台。

        举例，一款硬盘，MTBF=100万小时 ≈114年

                失效率λ=1/MTBF=0.8%

       一. 通过理论计算来估算系统失效率情况

        举例如何计算一个系统的整体失效率，选取串联模型

器件	失效率	数量	模块失效率
PCB	0.05%	1	0.05%
传感器	0.01%	4	0.04%
电容	0.004%	30	0.12%
Soc	0.05%	1	0.05%
IGBT模块	0.01%	6	0.06%
		整体失效率	0.32%

        这里是采用的串联模型，但实际系统设计中，可能会涉及比较复杂的串、并联模型，具体如何算这里不展开了，大家可以私聊，或者自己看对应专业书籍。

        二. 加速应力实验的方式来估算

        我们通常把失效率换算成MTBF

        某种产品，客户要求在90%的信心度下其MTBF为20000H，其单价较贵，只能提供1Pcs的产品作测试以判定其可靠性是否符合要求

        例：在高温高湿加速试验中，根据加速模型(Arrhenius Model),得知加速因子的表达式为：

        AF=exp{(Ea/k)*[(1/Tu)-(1/Ts)]+(RHu^n-RHs^n)}

        其中Ea为启动能(eV),k为玻尔孳曼常数且k=8.6*10E-5eV/K.T为绝对温度.RH为相对湿度(单位%).下标u指常态.下标s指加速状态(如Rhu^n指常态下相对湿度的n次方)，一般情况下n取2.

        举例

        Ea根据材料的不同，有不同的取值，对于光通讯产品，在GR-1221中，Ea=0.8eV(DampHeat的参考值)，

        1.则在110℃85%RH下作测试1h,相当于在25’c75%RH的加速倍数为：

        AF=exp{(0.8*10^5/8.6)[(1/298)-(1/383)]+(0.75^2-0.85^2)}=869

        若允许1次失效，则在90%的置信度下，需要测试的时间为Ttest=A*MTBF(A=0.5*CHIINV(1-0.9,2*2)=3.89)

        所以要求在25℃75%RH下的测试时间为3.89*20000=77800H;

        换算后，在110℃85%RH下的测试时间为：77800/869=90H，通过增加环境应力，可以大大缩短实验时间，在研发阶段可以完成验证了。

        以上结果说明将此1Pcs产品在110℃85%RH下进行90小时的测试，当失效次数小于或等于一次，则产品满足可靠性要求。

        具体计算公式和加速模型，可参阅JESD85标准。

        但大家可能有疑问，MTBF 3年，真能工作3年吗？其实也不是，我们看雨棚曲线，MTBF实际是常数失效率，也就是青壮年时期的失效率。但也基本代表产品的可靠性水准了。通过HASS方式或老化，可以筛选早期失效率率，让产品尽早入到稳定失效率状态，这正是出厂老化的理论依据。

MTBF实际是常数失效率

        好了，通过文中介绍的方法，品质人可以在设计过程中，判断研发的设计和物料选型，是否可以满足可靠性的要求。并通过理论计算和实验来对年失效率或MTBF的要求进行验证。当然，如上方法不一定都完全适用贵公司的产品，仅供参考使用。
        作者：宋荆汉 全志科技质量总监

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