平衡矩陣技術(shù)在TSQ診斷和工藝改進中的應(yīng)用

張嬋玉，徐新兵

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

0 引言

產(chǎn)品的質(zhì)量是企業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，只有不斷地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高競爭力，企業(yè)才能在市場中占有一席之地。在當(dāng)前經(jīng)濟形勢下，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，增強競爭力，對擴大市場需求具有重要的意義。但是，我國企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量還不夠高，并且企業(yè)的質(zhì)量與可靠性共性技術(shù)支撐與服務(wù)體系還不夠健全。因此，我們提出了一套在不少行業(yè)和企業(yè)實踐后并不斷完善的行之有效的解決質(zhì)量可靠性問題 （故障）的方法，即質(zhì)量可靠性整體解決方案 （TSQ：Total Solution for Quality&Reliability）[1-2]。

產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計進去、制造管理出來的，因此，產(chǎn)品的可靠性的提高，除了同產(chǎn)品的設(shè)計有關(guān)外，還同產(chǎn)品的工藝過程有密切的關(guān)系。

電子產(chǎn)品的可靠性由固有可靠性 （即設(shè)計可靠性）、制造可靠性 （即制造中的可靠性保證）和使用可靠性3個部分組成。因此，要保證產(chǎn)品的可靠性就要加強對這3個環(huán)節(jié)的管理。設(shè)計奠定產(chǎn)品的可靠性，制造保證產(chǎn)品的可靠性，使用維護提高產(chǎn)品的使用可靠性。所以，除設(shè)計環(huán)節(jié)外，制造也是一個不可忽視的重要環(huán)節(jié)。即便是采用同樣的設(shè)計制造圖紙資料，不同的廠家制造出來的設(shè)備的可靠性水平也可能不一樣，這樣的例子有很多，這就說明，制造過程中的可靠性保證對產(chǎn)品固有可靠性的實現(xiàn)，對保證產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平具有非常重要的意義。

在TSQ診斷中，平衡矩陣技術(shù)被廣泛地應(yīng)用，平衡矩陣技術(shù)是基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量與經(jīng)濟效益、利用等板平衡原理和模塊相關(guān)性提出的，可以綜合地分析企業(yè)及產(chǎn)品質(zhì)量要素優(yōu)化匹配問題，為企業(yè)開展高效益質(zhì)量改進提供技術(shù)理論支持。本文主要介紹TSQ的平衡矩陣技術(shù)的原理及其在工藝改進中的應(yīng)用。

1 工藝不良同產(chǎn)品可靠性的關(guān)系

工藝不良同產(chǎn)品的可靠性有關(guān)系嗎？這個問題在許多質(zhì)量可靠性管理文獻中給出了肯定的答案[3]，但是，沒有理論上的支持。

實踐告訴我們：如果產(chǎn)品的設(shè)計可靠性水平本來就低，那么制造過程中再努力也是無濟于事的；相反，如果設(shè)計可靠性 （即固有可靠性）水平很高，而制造過程中粗制濫造，再好的設(shè)計也是徒勞的。因此，不能忽視制造過程中的可靠性保證。

眾所周知，可靠度的計算公式為：

所以

式（1）-（3）中：R（t）——t時刻的可靠度；

λ——失效率，/h；

t——任務(wù)時間，h；

F（t）——不可靠度。

將式 （1）按泰勒級數(shù)展開并舍棄余項，可得：

式 （4）中，取n=1，可得：

對于產(chǎn)品的工藝制造過程，每個當(dāng)前工序都是上一個工序的 “客戶”。在產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布的情況下，對于大部分的電子產(chǎn)品有如下關(guān)系式[3]：

式（7）中：P——產(chǎn)品的次品率，即產(chǎn)品的工序不良率。

由式 （6）- （7）可得：

這說明，產(chǎn)品的工藝不良，同產(chǎn)品的失效率是密切相關(guān)的，并且產(chǎn)品的MTBF與失效率有如下關(guān)系：

式（9）中：MTBF——平均故障間隔時間。

由此可見，產(chǎn)品的工藝不良直接影響產(chǎn)品的MTBF，即工藝的不良率同產(chǎn)品的可靠性有密切的關(guān)系，大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)也表明，工序不良率高的產(chǎn)品，其外場可靠性表現(xiàn)也差。TSQ對企業(yè)基礎(chǔ)平臺（研發(fā)體系、制造體系、采購體系和檢測體系等）進行診斷，查找出工藝問題，就可以通過平衡矩陣技術(shù)來確定和分配工序質(zhì)量水平提升的目標(biāo)和重點，從而使經(jīng)濟性和改進效果獲得最佳匹配[4-5]。

2 平衡矩陣的原理

加強制造過程中的質(zhì)量與可靠性管理的目的是掌握、評價、控制產(chǎn)品在加工、裝配、搬運和保管過程中影響產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的各種因素。為了實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量，盡可能地維持產(chǎn)品設(shè)計的固有可靠性水平，確保實現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)定的可靠性指標(biāo)，就要使制造過程中影響產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性的因素處于可以控制的狀態(tài)。這些因素就是 “5M1E”（人、機、料、法、環(huán)、測）。

在實際診斷中，發(fā)現(xiàn)了影響產(chǎn)品質(zhì)量的許多因素，理論上講，都需要改進，但是，由于涉及到技術(shù)難度、成本和時間等因素的影響，對所有的因素進行改進是不現(xiàn)實的，成本也會增加很多，對企業(yè)不利。企業(yè)迫切地需要將總的改進資源合理地配置，減少資源浪費，提高改進效果和經(jīng)濟性。

質(zhì)量可靠性工程與現(xiàn)有管理體系和流程的結(jié)合，是提升質(zhì)量可靠性最重要的工作之一，而管理和工程相結(jié)合的切入點就是將質(zhì)量可靠性工程嵌入在研發(fā)、制造和采購等流程中。而從企業(yè)整體戰(zhàn)略來考慮，企業(yè)既要關(guān)注質(zhì)量，又要關(guān)注成本。但產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)和銷售的各個環(huán)節(jié)是串聯(lián)的，任何一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量可靠性不高都會造成最終產(chǎn)品的缺陷增多。等板平衡的思想就是在各個環(huán)節(jié)導(dǎo)致缺陷相同的目標(biāo)下，改善那個導(dǎo)致缺陷最嚴重的環(huán)節(jié)，使產(chǎn)品的生產(chǎn)過程質(zhì)量基本平衡，有效地節(jié)約成本和提升質(zhì)量。

平衡矩陣的計算公式如下所示：

式（10）-（11）中：Ei——工序不良率改進建議值，10-6；

di——難度系數(shù)；

Wi——重要度；

Pi——工序不良率改進期望值；

Qi——相應(yīng)工序（模塊）不良率的改進空間，10-6；

Vi——當(dāng)前工序不良率評估（診斷）值，10-6；

i——工序編號。

應(yīng)用方法為：第一步，先確定工序不良率改善目標(biāo)Pi；第二步，依據(jù)重要度Wi和難度系數(shù)di，計算每個工序不良率的改進建議值；第三步，將改進要求分配給各個模塊。在改進中，依據(jù)確定的改進目標(biāo)改進各個工序，可保證每個工序的不良是平衡的。

3 平衡矩陣的應(yīng)用示例

平衡矩陣就是在診斷的基礎(chǔ)上，綜合分析企業(yè)及其產(chǎn)品存在的問題，確定其同改進目標(biāo)的相關(guān)性，利用等板平衡原理，在平衡考慮難度、重要性和經(jīng)濟性的前提下，確定各部分改進的重點和幅度，分析出迫切需要改進的內(nèi)容，用較小的成本獲得較大的質(zhì)量提升效益。下面以某空調(diào)企業(yè)改進案例來介紹其應(yīng)用情況。

3.1 工藝不良的平衡分析與改進目標(biāo)確定

某空調(diào)企業(yè)，經(jīng)診斷，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品的可靠性差的一個重要因素來源是各個工藝模塊的不良率較高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）靜電防護存在嚴重的隱患；

2）原材料采購中供應(yīng)商的管控力度不足；

3）潮敏防護存在嚴重的隱患；

4）電裝工藝質(zhì)量不高，電控板焊接工藝一次通過率低；

5）車間潔凈管理差；

6）兩器 （冷凝器和蒸發(fā)器）焊接工藝要求沒有固化；

7）篩選；

8）倉庫管理。

通過診斷，評估出各個工序 （模塊）的不良率如圖1所示。由圖1可以看出，來自各個工序 （模塊）的不良很不平衡。

圖1 各個工序 （模塊）不良率的評估值 （10-6）

經(jīng)評估認為，基于商業(yè)競爭和可靠性增長難度的考慮，工序不良總目標(biāo)應(yīng)控制在1 000×10-6以內(nèi)，按照等分配原則，每個工序的不良率期望值Pi應(yīng)為 125×10-6。

通過評估可得，各個工序 （模塊）的改進難度和重要度如表1所示。

根據(jù)式 （10）和工序不良率改進期望值Pi可計算出工序不良率改進建議值Ei和改進空間Qi。計算示例如表2所示。

表1 各個工序 （模塊）改進難度和重要度評估值

3.2 改進實施

按照表2的目標(biāo)要求，為不同的工序 （模塊）成立專門的改進小組，進行針對性的改進。具體的方法如下所述[6]。

a）靜電防護工程的改造

開展廠區(qū)靜電防護方面的徹底改造。進行包括接地系統(tǒng)改造、靜電防護區(qū)改造、靜電防護規(guī)范建立、靜電防護器材等檢測規(guī)范建立和人員靜電防護培訓(xùn)等系統(tǒng)改造提升工程。

b）加強原材料采購管理

1）依據(jù) “失效數(shù)據(jù)與樣品收集→失效機理分析→失效原因分析→原因驗證→改進與固化”的流程開展工作，以失效物理為技術(shù)手段，切實地找到失效的根本原因；然后在設(shè)計、物料控制和工藝等方面給出相應(yīng)的改進控制措施。2）建立針對關(guān)鍵元器件的整體質(zhì)量可靠性控制體系，包括整合合格供應(yīng)商批準(zhǔn) （包括可靠性鑒定測試）與變更控制、關(guān)鍵工藝變更控制、供應(yīng)商相關(guān)的問題報告及糾正措施和供應(yīng)商QCD綜合查詢系統(tǒng) （包括質(zhì)量可靠性表現(xiàn)、交付和壽命期總成本）等。

c） 潮 敏防護

開展廠區(qū)潮敏器件系統(tǒng)防護工作，首先將元器件進行潮敏等級分類，在此基礎(chǔ)上對倉儲及生產(chǎn)車間環(huán)境進行溫濕度控制系統(tǒng)改造，并建立相關(guān)的防護規(guī)范，從而從硬件到制度流程上解決潮敏防護方面的隱患，避免在工藝階段由于潮濕導(dǎo)致敏感器件出現(xiàn)損傷或可靠性降低的問題，降低由于潮敏問題導(dǎo)致的失效比例，進一步地提升產(chǎn)品的成品率和可靠性。

d）電裝工藝

建立工藝鑒定規(guī)范與優(yōu)化工藝流程。在新品導(dǎo)入大規(guī)模量產(chǎn)的時候，開展工藝鑒定與工藝優(yōu)化方面的工作，完善工藝鑒定與工藝優(yōu)化的手段方法及管理流程，從而提升電控板的一次直通率，減少或消除由于工藝導(dǎo)致的潛在的可靠性缺陷，實現(xiàn)降低由于工藝問題導(dǎo)致的早期返修故障率的目的。

e）車間潔凈管理

1）進行車間潔凈的管控；2）對上機板料進行除塵；3）在流水線上設(shè)置錫渣、剪線角等微小顆粒的剔除點，隔10個工位設(shè)置一個。

f）兩器焊接

將兩器 （冷凝器和蒸發(fā)器）焊接的直通率提高到99.97%，重點解決焊接泄漏的問題，減少手工焊接，規(guī)范自動焊。規(guī)范冷凝器焊接工藝指導(dǎo)文件，進行人員培訓(xùn)，提高操作技能，培育工匠精神。

g）篩選效果

盡快實施HALT試驗。針對內(nèi)場試驗條件不能充分模擬外場應(yīng)力條件的問題，加強產(chǎn)品外場運輸、搬運和安裝等工況下的應(yīng)力分析，制定合適的內(nèi)場試驗條件；采購三綜合試驗設(shè)備，對產(chǎn)品開展綜合應(yīng)力試驗。

h）倉庫管理

加強倉庫現(xiàn)場環(huán)境控制，增加溫濕度控制設(shè)備，并每日巡查。進行靜電分區(qū)管理，對靜電敏感區(qū)增加相應(yīng)設(shè)備，進行靜電監(jiān)測，對于潮敏器件，建立相應(yīng)的保存區(qū)域，增加干燥箱，建立管理制度等。

4 結(jié)束語

本文介紹了平衡矩陣技術(shù)的原理及其在TSQ診斷和工藝改進中的應(yīng)用，得出了如下結(jié)論：

1）工藝不良同產(chǎn)品的可靠性有直接關(guān)系，產(chǎn)品的工序不良率與失效率密切相關(guān)，工序不良率高，其失效率也高；

2）給出了平衡矩陣的計算模型；

3）通過平衡矩陣在企業(yè)診斷和改進中的應(yīng)用示例，介紹了其具體步驟；

4）平衡矩陣技術(shù)是基于數(shù)據(jù)的質(zhì)量與經(jīng)濟效益、利用等板平衡原理和模塊相關(guān)性提出的，可綜合分析企業(yè)及產(chǎn)品質(zhì)量要素優(yōu)化匹配問題，為企業(yè)開展高效益質(zhì)量改進提供技術(shù)理論支持。

[1]張增照.TSQ技術(shù)提升企業(yè)質(zhì)量品牌競爭優(yōu)勢 [N].中國電子報，2012（2）：19.

[2]ZHANG Zengzhao， FAN Zhonghui， ZHANG Chanyu.Principles and applications of total solution for quality&reliability[C]//IEEE International Conference on Reliability，Maintainablity， and Safety （ICRMS）， Aug.6-8， 2014：1-5.

[3]吳先獻，陳昭憲，羅雯.軍用電子元器件可靠性增長方法研究 [C]//軍用電子元件 “八五”可靠性研究文集，中國電子學(xué)會電子元件分會可靠性與質(zhì)量管理專業(yè)委員會，1998：1-15.

[4]彭文忠.質(zhì)量可靠性整體解決平臺 [J].中國質(zhì)量，2012（9）： 21-23.

[5]范忠輝，張增照，陳鉬，等.質(zhì)量可靠性整體解決在機械裝備領(lǐng)域的實踐 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2017， 35 （5）： 53-59.

[6]張增照.以可靠性為中心的質(zhì)量設(shè)計分析和控制 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

科學(xué)家研制“人工肌肉”讓機器人變身超級大力士

據(jù)外媒報道，研究人員表示，他們從折紙術(shù)的折迭技術(shù)取得靈感，創(chuàng)造出用于機器人的價格低廉的 “人工肌肉”，讓機器人有力氣舉起比自己重1 000倍的物體。

研究人員說，這項進展讓軟機器人界往前邁進一步。上一代機器人忽動忽停且行動僵硬，快速被軟機器人取代。

美國麻省理工學(xué)院 （MIT）電子工程與計算機科學(xué)教授兼資深作者魯斯 （Daniela Rus）說： “這就像是賦予了這些機器人超能力。”

這篇發(fā)表于 《國家科學(xué)院學(xué)報》的研究報告說，這種肌肉被稱為促動器 （actuator），做在金屬線圈或塑料板材的架構(gòu)上，每條肌肉的制造成本約為1美元。

他們之所以會想到師法折紙術(shù)，是從部分肌肉運用的鋸齒狀結(jié)構(gòu)獲得的靈感。

報告說： “骨架可以是彈簧、像折紙般折迭的結(jié)構(gòu)、或是任何裝有鉸鏈或有彈性空隙的固體結(jié)構(gòu)?！?/p>

據(jù)悉，可能用途包括火星上的可擴充太空棲息地、小型外科器械、穿戴式機械外骨骼、深海探測設(shè)備甚至是可變形的建筑。

此外，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科技教授、共同作者伍德 （Rob Wood）說： “人工肌肉促動器，是所有工程界最重要的龐大挑戰(zhàn)。既然我們已經(jīng)制造出有類似天然肌肉特性的促動器，就有可能為幾乎任何任務(wù)創(chuàng)造出機器人?！?/p>

（摘自新浪科技）