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在电子制造业中使用黑匣子记录生产过程控制数据

原文刊登于2001年10月28日 电子工程专辑

飞机上使用的黑匣子可以帮助我们分析飞机事故的原因,同样道理,我们在电子制造业中也可设置一个类似黑匣子的数据记录仪,对产品缺陷进行跟踪及确定失效来源,提高成品率。

近几年来,电子制造业的质量已有了很大提高,以表面贴装工艺为例,目前的不良率一般约在50~100ppm范围。但很多电子公司把终极质量目标定为6σ(3.4ppm),这将是一个很难达到的指标。当面对一个表面上似乎不可能解决的困难时,跳出所处的环境从另一个角度来看往往可以得到一些对问题的不同看法。电子制造厂商通常采用一些质量管理工具解决生产中出现的问题(图1),如统计过程控制(SPC)等。如果将类似的研究延伸到其他领域则可发掘出很多对解决问题有价值的信息,实际上电子制造业经常出现的问题和其他行业对此类问题的解决方法有一种并行的关系。

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例如航空业在降低故障率方面就一直走在前列,我们可以从统计学的角度来看飞行质量究竟提高到了一个什么样的水平:假如你每天任意乘坐一个航班,天天如此,按目前的故障率要2.6万年以后你才会遇到一次空难。和传统6σ质量目标的3.4ppm相比,航空业的质量水平要比它高一个数量级。

对飞机事故资料的分析表明,过去20年中美国每一百万商业飞行小时中发生空难事故的次数在0.013到0.7之间波动,欧洲平均为0.9,澳大利亚是0.3。

从另一个角度来说,如果空难事故以每百万起飞次数来计,则全世界的平均值是1.5次,这也是6σ所代表的3.4ppm的一半。然而随着乘飞机旅行人次总数的增加,如果这个数字没有得到改善,那么到2010年估计每星期就要发生一起事故。因此,为达到如此之高的世界尖端级质量水平,航空业采用了一些特殊的技术。

航空业质量管理技术

“黑匣子”就是飞机故障分析中广泛应用的一种工具。美国联邦航空管理局(FAA)要求大型商用飞机和小型商用飞机、公务飞机以及私人飞机都要装两个记录每次飞行信息的数据记录仪,也即黑匣子,安装的这两个记录仪可用来帮助推断导致空难事故的原因。

其中一个黑匣子叫驾驶舱声音记录仪(CVR),用来记录驾驶舱中无线电的传输和声音。事故调查人员感兴趣的声音包括发动机杂音、失速警告、起落架伸出和收回的声音以及其它咔咔声和爆炸声,从这些声音中经常可以判断出事故发生时的飞行参数,如发动机转速、系统故障、空气速度和事故发生的时间,同时记录下来的还有与空中交通管制人员的通讯情况、自动无线天气介绍、飞行员和地面控制人员或机组人员的谈话等。这些数据和第二个黑匣子??飞行数据记录仪(FDR)的数据结合在一起,可以提供造成事故以及事故发生过程的完整画面。

FDR记录的是飞行过程中的各种不同操作条件。按规定要求,刚出厂的飞机至少要监测28种重要的飞行参数,如时间、高度、空气速度、方向和飞机的飞行姿势等。而有些FDR能记录300种以上不同的飞行特征信息以帮助调查,监测的项目可以从副翼的位置到自动驾驶模式甚至是烟雾报警信号等任何事情。

有了从FDR取回的数据,事故调查人员就能用计算机模拟再现出飞行的情况,将飞机的高度、仪表读数、动力设定情况及其他飞行特征形象地表现出来。与仅仅分析飞机残骸不同,这些模拟的动画片可以使调查人员看到飞机出事前一瞬间的情形。在调查空难时,黑匣子里的信息是帮助判断事故可能产生原因的主要工具之一。1996年环球航空公司800航班纽约长岛空难的飞行调查中,美国国家运输安全委员会曾说:“比起其他方面的调查,我们把更多的希望放在寻找黑匣子上。”

航空业使用黑匣子和传统控制理论有一定的关系,传统的控制理论认为像SPC之类的控制工具能显示出在缺陷产生之前什么时候过程将失去控制,什么时候该采取纠正措施。空难数据的分析结果通常表明,“空难是一系列单独看都无关紧要的事件合在一起的最后结果”。一个事件在刚开始发生时可能是无关紧要的,或许它不会造成失去控制。所以说单独的事件也许对引发事故并不重要,但是它们对防止发生空难却意义重大。

许多质量管理项目都在寻找“银弹”或者说快速解决问题的方法,而实际上很多质量部门都失败了,因为他们只是徒劳地寻找问题产生的原因而不是解决那些被忽视而单独看起来又无关紧要的问题。如果产生问题的任何一个原因受到重视,那么就可以避免发生类似的事件。

发生事故之后,黑匣子是用来回顾飞行数据的最好工具,它能使调查人员更好地理解导致事故发生的原因和造成空难的所有因素,以便采取适当的纠正措施。现在摆在我们面前的问题,就是要搞清楚这种黑匣子系统如何才能与SPC之类的传统控制系统协同使用,并确定类似的技术能否成功地用于电子制造业中。

电子制造业黑匣子可靠性模型

当印刷电路板(PCB)之类的产品失效时,传统的故障分析就是确定出坏的元件并且试图弄清楚导致它损坏的原因。纠正措施中有时要工程师或技术人员等在机器旁,看看同样的问题是否还会发生。当缺陷率不断下降时,平均无故障时间会增加,结果很容易错过发现根本原因的机会。实际上这些努力最多只有50%有效,而且几乎不可能找出能纠正根本原因的措施。

目前正在进行一项研究,利用飞机上黑匣子的研究成果,看看它能否用于电子制造业中。首先对表面贴装工艺的每个要素进行分析,以确定应该由黑匣子记录的数据(表1)。

可以利用内部质量记录系统,在软件中加入几个特性数据对工艺过程中所有要素提供完整的追溯性,从锡膏的批号到测试和检查的数据。例如在丝网印刷时,生产线上每使用一瓶锡膏都将锡膏的批号扫描到系统中,这样该生产线生产的每块PCB的序列号都和那瓶锡膏联系在一起。

到了元件贴放工序,每换一盘新的元件时,系统在机器上会自动记录操作员的工号、元件批号和制造商(图2)。随后通过这台机器的每一块PCB的序列号都和这一盘元件联系在一起,一直到该料站装上下一盘新的元件为止。

在回流焊阶段,一个配有条码阅读器的综合温度曲线设定系统可以得出回流焊炉的温度曲线图,并且将某个特定时间内通过回流焊炉的PCB序列号与该曲线图联系起来。如果以后发现有开路或焊锡不足之类的缺陷时,就可以查看到当时记录的数据。

最后,大多数在线自动光学检查(AOI)、X射线检查和在线测试(ICT)设备都带有所需的程序接口以便将PCB序列号和失效数据输出到数据库中。这一综合型质量系统数据库目前在失效分析和采取纠正措施环节上已成为一个强有力的助手。

在传统意义上,质量系统数据库仅用来追踪缺陷,而这个新的系统可以追踪多项数据,一旦出现缺陷时就可以访问数据库。例如在几块板上发现了焊锡不良,可通过检查数据库来判定是否所有这些PCB使用的元件都是同一个制造商同一个日期代码的元件。数据库通常可以证明哪些项目或因素是清白的,从而排除问题可能产生的原因,工程师也就能把精力集中在那些最有可能造成缺陷的参数上,无需在机器旁去等待坏品再次出现。采用这种系统后,数据可以自动记录下来,并可随时拿来进行分析。

图3所示的是电子制造业中使用的黑匣子模型及其在生产线上的安装示意图,一块PCB出现缺陷,可从产品和工艺两方面分析缺陷造成的原因。现在能够检查某个产品在制造过程中所涉及的所有事件,从锡膏的批号一直到测试数据。换句话说,就是可以检查到所有导致产品产生缺陷的因素,而不是仅仅对PCB或元件进行失效分析。

当PCB通过整个生产流程时,所有的信息都可通过PCB序列号自动跟踪。在确定因盘料元件标签错误或元件装在错误的送料器上而造成多块板失效等原因时,这种判断能力是非常有用的。

本文结论

航空业中的黑匣子开始时只收集一两个主要的参数,现在的新飞机则要跟踪28个参数。当前电子制造业中的黑匣子追踪的参数比这个数字的一半还要少,不过已有计划要增加它的记录能力。在制造业界实施这样的系统后表明,以前被认为是偶然发生或人为失误而造成的事件现在可以找到原因,并能够制订出避免再次发生的纠正措施。要使电子制造业达到很难实现的3.4ppm 6σ目标,黑匣子也许将是最佳的工具。

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责任编辑:穆磊