質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配在電子元器件選型中的應(yīng)用

支 越，梅 強(qiáng)，王之哲，王小強(qiáng)

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質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配在電子元器件選型中的應(yīng)用

支 越1,2，梅 強(qiáng)1，王之哲2，王小強(qiáng)2

（1. 江蘇大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

電子元器件作為整機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重要組成部分，其質(zhì)量與可靠性直接制約整機(jī)系統(tǒng)的最終表現(xiàn)。提出了一種基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)層次化分配方法，通過把整機(jī)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)合理分配至每個(gè)組成單元，為整機(jī)單位的電子元器件選型提供借鑒和支撐，有效保障整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性。

電子元器件；選型；質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；分配；復(fù)雜度；重要度

電子元器件作為整機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重要組成部分，其質(zhì)量與可靠性對整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量、維修性和保障性均具有至關(guān)重要的影響，直接制約整機(jī)系統(tǒng)的最終表現(xiàn)。因此，電子元器件的選型，即如何選取合適的電子元器件來保證整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量可靠性顯得尤為重要。

可靠性分配或者質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配是目前常用的指導(dǎo)電子元器件選型的手段。質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配是指將工程設(shè)計(jì)規(guī)定的整機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)合理地分配給組成該系統(tǒng)的各個(gè)單元，確定系統(tǒng)各組成單元的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)定量要求，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)[1]。整機(jī)單位可以依據(jù)每種電子元器件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)要求來采購合適的產(chǎn)品，以提高整機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性，對實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的性能優(yōu)化具有重要意義。

1 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配原理介紹

質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)在定義上是指潛在的、沒有發(fā)生的、具有發(fā)生可能性的影響產(chǎn)品完成其規(guī)定功能的事件。通常可以選用“返修率”、“報(bào)廢率”、“一次交驗(yàn)合格率”作為質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，間接表征特定質(zhì)量管理水平下電子元器件產(chǎn)品發(fā)生質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的可能性。

由于實(shí)際的整機(jī)系統(tǒng)通常較為復(fù)雜，為了研究問題的方便，在質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配前，可以對所研究整機(jī)系統(tǒng)做一定的抽象和假設(shè)：

(1)全部元器件的壽命分布均服從指數(shù)分布；

(2)全部元器件失效率均很小；

(3)全部元器件與系統(tǒng)的工作時(shí)間均相同。

質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配依據(jù)的要素有很多，包括重要度、復(fù)雜度、失效率和費(fèi)用等，其中重要度和復(fù)雜度是目前比較常用的要素。

1.1 重要度與復(fù)雜度概念

（1）組件/系統(tǒng)的復(fù)雜度界定

假設(shè)電子整機(jī)的組件由個(gè)企業(yè)提供的組件組成，每個(gè)企業(yè)提供的組件又由n個(gè)基本組成單元（部件、元器件）所構(gòu)成，其中基本組成單元一般是一級晶體管（或電子管）電路，或者集成電路板（PCB），則系統(tǒng)的基本組成單元數(shù)計(jì)算如式（1）。

各個(gè)組件的基本組成單元數(shù)反映了組件的復(fù)雜程度，而整機(jī)的基本組成單元數(shù)則反映其復(fù)雜程度。組件/整機(jī)復(fù)雜度為組件或整機(jī)所擁有的基本組成單元的數(shù)量。

由于電子整機(jī)中集成了大量的電子元器件，而且電子元器件的質(zhì)量有效性直接決定了電子整機(jī)的質(zhì)量有效性，因此，在進(jìn)行質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配過程中計(jì)算每個(gè)組件包含的基本組成單元數(shù)量時(shí)，直接計(jì)算組件包含的電子元器件數(shù)量即可。

計(jì)算組件包含電子元器件數(shù)量有如下幾種工程經(jīng)驗(yàn)方法：第一，統(tǒng)計(jì)各個(gè)組件所有元器件個(gè)數(shù)，即統(tǒng)計(jì)全部電容、電阻等元件和真空管、半導(dǎo)體器件的個(gè)數(shù)；第二，僅統(tǒng)計(jì)各組件有源器件個(gè)數(shù)，即只統(tǒng)計(jì)真空管、半導(dǎo)體器件的數(shù)量；第三，按照等效有源器件統(tǒng)計(jì)，即將所有元器件按照質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)等級折算為半導(dǎo)體器件，最后統(tǒng)計(jì)全部半導(dǎo)體器件的數(shù)量。等效有源器件件數(shù)的折算有如下經(jīng)驗(yàn)式：

10個(gè)阻容元件≈1個(gè)半導(dǎo)體器件

1個(gè)真空器件≈10個(gè)半導(dǎo)體器件

1個(gè)繼電器（或連接器、開關(guān)等）≈1個(gè)半導(dǎo)體器件

本文選用第三種方法來計(jì)算組件的復(fù)雜度。

（2）組件重要度界定

為了便于質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的定量化，以組件的故障表示潛在的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。在電子整機(jī)中，第個(gè)組件的重要度定義為：第個(gè)組件的故障引起整機(jī)發(fā)生故障的概率，即：

從組件重要度定義可知，當(dāng)某個(gè)組件的所有故障均導(dǎo)致整機(jī)發(fā)生故障時(shí)，則組件的重要度為1；

當(dāng)無法給出實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，則需要依靠經(jīng)驗(yàn)評分（3）給出每個(gè)組件的重要度。

式中：d為某組件的經(jīng)驗(yàn)分?jǐn)?shù)，d≤；為總分值，評分方案一定時(shí)，該參數(shù)為常數(shù)。

1.2 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法介紹

目前常用的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法有等分配法、基于重要度的分配方法（AGREE分配法）、可靠度再分配法等[2]。其中，可靠度再分配法是依據(jù)預(yù)計(jì)的各基本事件的概率值和系統(tǒng)目標(biāo)值來對各分系統(tǒng)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重新分配；等分配法是認(rèn)為各組成單元質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)水平相同，主要用于基本質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和任務(wù)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的分配法；AGREE法是由美國國防部電子設(shè)備可靠性顧問團(tuán)提出來的經(jīng)典方法[3]，適用于單元壽命服從指數(shù)分布的串聯(lián)系統(tǒng)，是一種考慮了單元重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的電子元器件選型。

但是上述質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法往往只關(guān)注各組成單元的重要度，沒有考慮其復(fù)雜度，因此在分配各電子元器件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)上會存在一定的偏差。為了更好地指導(dǎo)整機(jī)單位開展電子元器件選型工作，本文在AGREE法的基礎(chǔ)上提出一種基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法，通過計(jì)算整機(jī)系統(tǒng)以及組件的重要度與復(fù)雜度，成功把整機(jī)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)合理分配至每個(gè)組成單元，為整機(jī)單位在電子元器件采購方面提供借鑒和支撐。整機(jī)單位可以根據(jù)分配的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)要求選擇合適的電子元器件產(chǎn)品，為整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性提供有力保障。

2 基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法

2.1 基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配模型

根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性研究，大多數(shù)電子整機(jī)及其組件的故障間隔時(shí)間都服從指數(shù)分布，令組件或整機(jī)的平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failure, MTBF）為，則該組件或整機(jī)從前一次故障修復(fù)之后，運(yùn)行到時(shí)間時(shí)不發(fā)生故障的概率為：

或者：第個(gè)組件從前一次故障修復(fù)后，運(yùn)行到時(shí)間的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)度和質(zhì)量可靠度分別為：

（5）

考慮組件重要度之后，將整機(jī)視為由個(gè)組件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，則系統(tǒng)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)s可以表示為：

（7）

對于指數(shù)函數(shù)e–x來說，當(dāng)<<1時(shí)，有近似表達(dá)式成立，由于電子整機(jī)中組件的使用壽命一般要遠(yuǎn)低于其平均壽命，因此對式（7）進(jìn)行兩次正逆變化，轉(zhuǎn)化為：

（8）

式（8）給出整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)同具有重要度權(quán)重的組件平均故障時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，引入組件的復(fù)雜度概念，可以推導(dǎo)出下式：

式（9）兩邊取自然對數(shù)得到每個(gè)組件的平均故障間隔時(shí)間：

（10）

將式（10）代入式（5），得到每個(gè)組件在時(shí)刻的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)度：

此方法為對產(chǎn)品整體和組件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)服從指數(shù)型分布、考慮復(fù)雜度和重要度的一種質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法，可以有效控制電子整機(jī)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，電子整機(jī)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)（如“返修率”、“報(bào)廢率”、“一次交驗(yàn)合格率”等）在研制前就已經(jīng)確定。利用上述的方法計(jì)算各組件的重要度與復(fù)雜度，通過把整機(jī)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)合理分配至各組件，得到每個(gè)組件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)利用基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法，把每個(gè)組件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行再一次分配，確定每個(gè)元器件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)目標(biāo)，為研制單位改善生產(chǎn)管理以及整機(jī)單位的元器件選型提供借鑒和依據(jù)。

3 應(yīng)用算例

某終端的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)研制指標(biāo)為返修率不超過5%。在研制過程中，由總體設(shè)計(jì)企業(yè)1提供終端的設(shè)計(jì)服務(wù)，主要子系統(tǒng)如信號接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、定位與通信系統(tǒng)、存儲與顯示系統(tǒng)和供電系統(tǒng)分別由企業(yè)3~7生產(chǎn)，在總裝企業(yè)2處集成。終端的設(shè)計(jì)和子系統(tǒng)集成也會對終端質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)有影響，因此把設(shè)計(jì)和總裝服務(wù)也分別當(dāng)成一個(gè)子系統(tǒng)開展質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配工作。通過計(jì)算各個(gè)子系統(tǒng)的重要度和復(fù)雜度，就能利用基于重要度和復(fù)雜度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)方法把5%的返修率指標(biāo)合理分配至各個(gè)組成單元。

3.1 重要度和復(fù)雜度計(jì)算

（1）子系統(tǒng)的復(fù)雜度計(jì)算

根據(jù)1.1節(jié)提到的等效有源器件件數(shù)的折算方法，可以計(jì)算每個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜度為：

1=6,2=5,3=6,4=7,5=5,6=7,7=5；

下標(biāo)的1~7分別對應(yīng)企業(yè)1~7。把子系統(tǒng)的復(fù)雜度相加即得到終端的復(fù)雜度=41。

（2）子系統(tǒng)的重要度計(jì)算

因?yàn)檫@些子系統(tǒng)對終端的質(zhì)量和可靠性都同等重要，而總體設(shè)計(jì)企業(yè)1對這些子系統(tǒng)具有間接影響，這些子系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性在一定程度上由總體設(shè)計(jì)的結(jié)果確定，所以可以根據(jù)如下規(guī)則設(shè)定這些子系統(tǒng)的重要度：

2=3=4=5=6=7=1/2；∑W=1(=1~7)

可以求出各子系統(tǒng)的重要度如下：

2=3=4=5=6=7=1/2=0.125

將各子系統(tǒng)的復(fù)雜度和重要度代入式(11),計(jì)算可得分配至子系統(tǒng)1~7的返修率指標(biāo)分別為2.96%，4.88%，5.83%，6.77%，4.88%，6.77%和4.88%。

針對每個(gè)子系統(tǒng)，利用基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法，把每個(gè)子系統(tǒng)的返修率目標(biāo)進(jìn)行再一次分配，確定每個(gè)元器件的返修率指標(biāo)，并以此為依據(jù)開展電子元器件的選型工作，選擇符合返修率要求的電子元器件，為完成終端的研制目標(biāo)提供有力保障。

4 結(jié)束語

為了更合理分配整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，本文在AGREE法的基礎(chǔ)上提出一種基于復(fù)雜度和重要度的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)分配方法，通過計(jì)算整機(jī)系統(tǒng)以及組件的重要度與復(fù)雜度，把整機(jī)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)合理分配至每個(gè)組成單元，為整機(jī)單位的電子元器件選型提供借鑒和支撐。整機(jī)單位可以根據(jù)分配至每個(gè)電子元器件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)要求來選擇合適的產(chǎn)品，有助于提高整機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性，為完成研制目標(biāo)提供有力保障。

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（編輯：曾革）

Application of quality risk allocation in the lectotype of electronic components

ZHI Yue1,2, MEI Qiang1, WANG Zhizhe2, WANG Xiaoqiang2

(1. School of Management, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu Province, China; 2. The Fifth Institute of Electronics of Ministry of Industry and Information Technology, Guangzhou 510610, China)

As the basis and important composition of electronic machines, the quality and reliability of electronic components determine the performance of electronic machines. A hierarchical quality risk allocation method based on complexity/importance is proposed, which is employed to allocate the quality risk target of electronic machines to every component. It is instructive for the lectotype of electronic components in machine enterprises, guaranteeing the quality and reliability of electronic machines effectively.

electronic components; lectotype; quality risk; allocation; complexity; importance

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.03.017

N945.17

A

1001-2028（2017）03-0084-04

2016-11-07

支越

支越（1966－），男，江蘇鎮(zhèn)江人，高級工程師，博士研究生，主要從事電子元器件檢測與質(zhì)量管理，E-mail: zhiy@ceprei.org ；王之哲（1988－），男，浙江金華人，工程師，博士，研究方向?yàn)殡娮釉骷|(zhì)量管理。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170310.1151.017.html

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2017-03-10 11:51