健壯設計在專用設備研發中的應用

楊樹文，海燕

(北京中電科電子裝備有限公司，北京 100176)

隨著技術產業的興起、社會生產力的提高和消費的多樣化，促使市場競爭已由價格競爭為主轉向全面質量競爭，即產品種類、性能、價格、貨期、可靠性、售后服務等。而傳統的質量概念基本是指產品性能是否符合技術規范，采用簡單的“門柱法”[1]，即符合性質量控制。這種方法的不足是質量控制立足于制造，而不是立足于設計，發現和解決問題的時機晚、代價高。這種方法在工業發展的初期，產品技術含量低和結構簡單等情況下，符合性質量控制還能夠起到把關作用，但是對于產品技術含量高、結構復雜，就需要適用性的觀點。健壯設計則隨著技術的發展很好地適應了這種質量需求。

1 健壯設計的內涵

健壯設計是20世紀80年代以來由工業發達國家推出的開發高質量、高可靠性、短周期、低成本產品的先進設計思想和相應的方法體系，對于提高產品研制質量發揮了重要作用。“健壯設計是這樣一種設計方法，它使所設計的系統性能對于制造過程的波動或其工作環境的變化是不敏感的，而且盡管零部件會漂移或者老化，系統仍然能夠在其壽命期間以可接受的水平繼續工作”[1]。

健壯設計的指導思想是以客戶需求為導向來開發產品，需求是決策依據；強調設計方案和生產制造減少質量波動，使產品盡可能接近目標；通過優化系統設計，提高產品整體質量水平；通過開發適銷對路的產品贏得市場，獲得良好的經濟效益。健壯設計的基本原理是通過深入開展需求分析，明確設計目標；通過總體方案的優化設計和技術創新提高產品的整體技術水平和市場競爭力；通過穩定性優化設計提高產品的抗干擾能力，減少產品的質量波動。其目的是提高產品的健壯性和生命力，以便在產品的全壽命周期內充分地滿足顧客的需求。

健壯設計是在參數化、質量功能展開和系統設計等方法基礎上進一步發展完善的一套新的優化設計方法，它以充分地和穩定地滿足顧客的需要為宗旨，在常規設計的基礎上，利用系統工程的基本原理，將質量功能展開、系統設計、試驗設計、方差分析、參數設計與容差設計、故障模式與影響分析、故障樹分析、仿真技術、工藝的穩定性優化設計、生產制造階段的監控、反饋和調整等方法有機的結合起來，形成一種先進的方法體系[1]。

電子專用設備，比如切片機、劃片機、光刻機、鍵合機和減薄機等，都具有特定的使用功能、操作方法和使用環境，因此研發時目標對象針對性較強、系統復雜，通常為正向設計。在研發中一般是通過詳細的了解用戶需求，把使用功能和工藝映射為具體參數進行設計，并且需要試驗來驗證設計和故障分析，在此基礎上進行優化設計、降低成本、提高可靠性，最終形成產業化的產品，而健壯設計的工具和方法很好的適用了這種需求。

質量功能展開（QFD）是方案設計階段十分重要的一種方法，能夠在技術上確定優化的方案；試驗設計能夠對關鍵技術和質量問題進行分析和驗證，提高產品質量，解決系統故障。這些對于研發產品有很好的應用優勢，本文將對健壯設計的這兩項主要技術方法進行簡單的介紹，通過具體的案例進一步說明這些方法的使用和優勢。

2 健壯設計的主要技術方法

2.1 質量功能展開（QFD）

QFD的基本原理就是用“質量屋”的形式，量化分析顧客需求與工程措施之間的關系，經數據分析處理后找出關鍵措施，從而指導設計人員抓住關鍵技術，進行優化設計，開發出滿足顧客需要的產品[2]。

QFD的主要步驟大致為：

（1）質量屋的建立：質量屋也稱質量表，是一種形象直觀的二元矩陣展開圖表，如圖1所示。

（2）顧客需求分析與工程措施的確定：顧客或市場的需求往往比較籠統、定性化，有些意見比較片面。另外，隨著時間的推移、經濟和技術的發展、消費環境的變化，市場需求也是不斷變化的。應當盡可能完整、及時地收集第一手市場信息。在此基礎上，對這些原始信息進行整理、加工和提煉，形成系統的、有層次的、有條理的、有前瞻性的顧客需求。這些是設定產品質量目標的基礎。

（3）關鍵措施或瓶頸技術的確定：首先要確定顧客需求與工程措施之間的關系度rij（關系矩陣），加權后工程措施的重要度以顧客需求的重要度作為加權系數，分別計算每項工程措施與全部顧客需求的加權關系度之和并進行比較，加權關系度之和大的那些工程措施就是關鍵措施。

圖1 質量屋的結構

（4）市場競爭能力和技術競爭能力分析：市場競爭能力指數：，M值越大越好；技術能力指數,T值越大越好；綜合能力指數是市場競爭能力指數與技術競爭能力指數的乘積，即C=MT，C值越大越好。我們將現有技術很難解決的技術關鍵稱為“瓶頸技術”，在質量功能展開的過程中必須找出瓶頸，并攻克瓶頸技術。

（5）工程措施之間交互作用評估:通常用下列符號表示工程措施之間的交互作用或相關度：○為正相關，◎為強正相關，×為負相關，#為強負相關，空白表示該交點所對應的兩項工程措施間不存在交互作用[3]。

2.2 試驗設計和方差分析

試驗設計的基本思想是制定適當的試驗方案，以便于對試驗數據進行有效的統計分析；試驗方案安排合理，能夠使試驗數據具有合適的數學模型，以便減輕隨機誤差的影響，從而提高試驗的精度和可靠度。

試驗設計時應該遵循重復性原則、隨機化原則和局部控制原則。通過合理的科學試驗，可以減少試驗次數，縮短周期，節省人力物力；能夠在諸多的因素中分清主次，找出主因；能夠得到各個因素之間的交互作用，得到最優的組合；更為重要的是通過方差分析，可以分析出試驗誤差影響的大小，提高試驗的精度。試驗設計的基本類型有析因設計、區組設計、回歸設計和均勻設計等，而數據處理時方差分析起到了重要的作用。

方差分析是數理統計學中常用的數據處理方法之一，通過方差分析能夠找出數據間的“變差”，對變差的度量是波動平方和，方差分析就是從總波動平方和中分解出可以追溯到指定來源的部分波動平方和[1]。通過數據分析能夠找到多因素影響的主要因素，促進設計改進和優化工藝。

3 設計案例

劃片機是集成電路后封裝關鍵設備之一，其工作原理是采用超薄金剛石刀片作為切割刃具，空氣靜壓電主軸帶動刀片高速旋轉對集成電路基片進行高精度切槽分割。

案例一：應用QFD方法建立設備模型

XX用戶需求：

（1）設備具有自動上料功能；

（2）自動通過圖像識別系統完成工件對齊工作并準確找到劃切位置；

（3）配置非接觸測高，在劃片過程中能自動測高，刀片破損檢測及斷水保護功能；

（4）采用50 mm(2英寸)金屬刀片切割；

（5）中文操作界面,觸摸屏控制操作；

（6）劃片槽寬度 CPK≥2。

由此建立質量屋，如圖2所示。

對于其中的單元，還可以建立下一級的質量屋，逐級展開，詳細的分析和描述，直到映射為具體的工程措施。比如其中的X軸工作臺，可以建立二級質量屋，如圖3所示[3]。通過建立質量屋，既明確了關鍵技術，又能夠參數化，可以形成具體的結構設計，如圖4所示。

圖2 整機系統質量屋

圖3 X 工作臺質量屋

圖4 X軸工作臺結構圖

案例二：應用重復試驗和方差分析的方法分析材料劃切崩邊（圖5）的影響因素。

圖5 崩邊圖示（δ為理論值，ε為實際值）

對于劃切加工，影響因素有主軸轉速、進給速度、冷卻液和刀具；為了能進一步明確這些因素的影響情況，采用正交試驗，對4個影響因素量化分析。表1為因素水平表，考慮交互作用A×B、A×D，用L8(27)表，設計表頭見表2，每號試驗重復4次，記錄試驗數據，計算波動平方和（S），進行顯著性檢驗(F)。

表3為實驗結果分析表，表4為方差分析表。通過試驗設計和數據分析，能夠量化描述影響因素。其中A、A×B為高度顯著因素，B、C為顯著因素。另外，試驗設計還能夠確定最優的工藝組合，本例中A2B1C2D1為最優生產條件。

表1 因素水平表

表2 表頭設計表

表3 實驗結果分析表

表4 方差分析表

4 結束語

健壯設計的技術方法在工程應用中具有積極的作用；對于設備研發，重要的是需求分析和設計驗證，即如何把用戶需求轉化為實際的工程模型，如何建立試驗對關鍵技術和質量問題進行分析。本文結合設計案例，對QFD和試驗設計及方差分析進行了較為詳細的介紹。除此之外，健壯設計還有諸如系統設計、容差設計、靜態/動態特性參數設計、風險分析等技術方法，能夠針對不同的問題提供有效的解決方法和工具。

健壯設計對于提高設計質量，減少質量波動和降低成本都具有很好的作用；健壯設計的技術方法和工具較多，不但能夠進行定性的描述，而且借用數學方法對過程數據處理后，能夠定量對問題進行較為準確的描述。因此，健壯設計對于技術的進步和產品的全面質量的提高具有非常重要的作用。

[1] 中國電子科技集團公司第四十五研究所.健壯設計手冊[M].北京：中國電子科技集團公司第四十五研究所內部資料，2-9，129-132.

[2] 馬林.六西格瑪管理[M].北京：中國人民大學出版社.470-471.

[3] 佀海燕.QFD在切割機工作臺設計中的應用[J].電子工業專用設備，2011.39(11)：19-21.