正交試驗在薄膜電容器設(shè)計及 工藝試驗中的應(yīng)用

揚州高強電子有限公司 丁霞梅

1.前言

正交試驗法是數(shù)學(xué)家發(fā)明的設(shè)計和工藝驗證方法，它的主要特點是高效、科學(xué)、經(jīng)濟。所謂高效是指正交試驗法可用較少的試驗次數(shù)，獲得大量的驗證信息。比如說通過9組試驗，可得到相當(dāng)于一般試驗81次才能獲得的信息。所謂科學(xué)是指正交試驗法是用數(shù)學(xué)原理推導(dǎo)出來的，通過正交試驗結(jié)果圖表化可以看出設(shè)計和工藝因素變化的趨勢，從而可以幫助應(yīng)用人員優(yōu)選出最佳組合條件下的設(shè)計和工藝參數(shù)。所謂經(jīng)濟性，是指可以縮短試驗時間，減少試驗投入,降低生產(chǎn)和工藝成本。因此，無論國際國內(nèi)，正交試驗法都倍受科技人員的推崇和應(yīng)用。掌握了正交試驗法，就等于掌握了解決問題的鑰匙。

2.正交試驗表設(shè)計的基本準(zhǔn)則

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，日本著名的統(tǒng)計學(xué)家田口玄一將正交試驗選擇的水平組合列成表格，稱為正交表。正交試驗表設(shè)計的基本準(zhǔn)則是：

①正交試驗表中任意一列中，不同的數(shù)字出現(xiàn)的次數(shù)相等，表示：在試驗安排中，所挑選出來的水平組合是均勻分布的（每個因素的各水平出現(xiàn)的次數(shù)相同）——均衡分散性

②正交表中任意兩列，把同行的兩個數(shù)字看成有序數(shù)對時，所有可能的數(shù)對出現(xiàn)的次數(shù)相同。表示：任意兩因素的各水平的搭配在所選試驗中出現(xiàn)的次數(shù)相等——整齊可比性，這些有代表性的點具備了“均衡分散，整齊可比”的特點，正交試驗設(shè)計是分式析因設(shè)計的主要方法。

3.正交試驗設(shè)計的基本步驟

①確定目標(biāo)、選定因素（包括交互作用）、確定水平；

②選用合適的正交表；

③按選定的正交表設(shè)計表頭，確定試驗方案；

④組織實施試驗；

⑤試驗結(jié)果直觀分析。

4.正交試驗法在薄膜電容器設(shè)計及工藝試驗中的應(yīng)用實列

在薄膜電容器設(shè)計和制造過程中，有大量的工藝參數(shù)需要驗證和優(yōu)選，以便找出實現(xiàn)產(chǎn)品最佳性價比的途徑,例如設(shè)計優(yōu)選介質(zhì)、膜厚、留邊、方阻、噴金料、浸漬料、灌注料等等；卷繞、熱壓、噴金、浸漬、涂覆、灌注、分選等工序的工藝參數(shù)優(yōu)選，如卷繞參數(shù)薄膜張力、加速度-中間速度-減速度、熱封溫度、熱封壓力等的優(yōu)選；熱壓參數(shù)溫度、壓強、時間、數(shù)量等的優(yōu)選；噴金參數(shù)電壓、電流、噴槍高度、氣壓、送絲速度等的優(yōu)選……。怎樣才能使我們的工藝探索試驗事半功倍呢？正交試驗法為我們提供了一條高效、科學(xué)、經(jīng)濟的途徑，下面列舉一個優(yōu)選熱壓參數(shù)的例子，來說明正交試驗法在薄膜電容器生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用，詳見表1：金屬化薄膜電容器熱壓參數(shù)正交試驗。此表的規(guī)范記號為表，這里記號中的4表示考察對象（變量因素）應(yīng)為4個（本例分別為溫度、壓強、時間、數(shù)量）、記號中的3表示考察對象中每個變量因素應(yīng)選3個不同值或3個水平或3個位級（本例變量因素溫度的3個不同位級分別為：120℃、130℃、140℃），記號中的9表示試驗需做9組9次試驗，記號中的L是正交表的標(biāo)志符號。L9(34)表的試驗，簡稱四因素三水平試驗或四因素三位級試驗。若所需試驗的因素和位級與本表不同，可選用其它因素位級正交表；若現(xiàn)存正交表均不符合使用者所需，使用者應(yīng)調(diào)整自己的擬定項數(shù)，選用靠近的正交表，使擬定項數(shù)與現(xiàn)存正交表配合一致。現(xiàn)存的每個正交表的因素和位級數(shù)量是固定的，但因素的類別和位級間隔的選取可以完全由使用者根據(jù)實際、實用的需要來確定。對因素和位級的評價，最好用定量的指標(biāo)，本例評價指標(biāo)：平均擊穿電壓、J級品率、1/tgδ均為定量指標(biāo)；但也適用于用非定量的指標(biāo)，但它要求評價人要有精通和準(zhǔn)確把握考察對象特性的能力和將定性問題轉(zhuǎn)換為定量評價的能力，本例外觀評價分就是用非定量的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為定量指標(biāo)來評價的。評價指標(biāo)的個數(shù)由因素的相關(guān)性確定，L9(34)表的顯著優(yōu)點是：通過9組9次試驗，可以獲得約81組一般試驗的信息。為了表述簡單，我們把評價數(shù)據(jù)處理的結(jié)果叫做得分。本例得分高的工藝條件是好的工藝條件，得分高的結(jié)果是好的結(jié)果。如第3組（行號）得分167064.1，為最高分，說明這組工藝條件（參數(shù)）在實際試驗中結(jié)果最好（即U、J級品率、tgδ、外觀綜合結(jié)果最好）。

下面談?wù)務(wù)辉囼灡淼梅值木唧w計算方法：

①第3組（行號）總得分J3=E3×F3×G3×H3=3210×95.3×(1/164.8)×90=167064.1

第3組試驗對應(yīng)的工藝條件是：

溫度3（120℃）→壓強1（0.35Kg/mm2）→時間2（200s）→數(shù)量3（1000支/盤）

這組（第3組）總得分最高，是試驗得到的最佳工藝條件（結(jié)果），簡稱“試驗好結(jié)果”。

其余各組總得分的計算方法依此類推；

注：

●本例各行總得分計算采用各項考核分（或評價結(jié)果）的積的方法來計算.試驗者也可根據(jù)因素和評價的實際重要度對某列因素的各行都乘一個加權(quán)系數(shù)后再計算總得分，比如：假設(shè)E列的因素重要度最大，可將E列內(nèi)的各行實際得分分別乘以加權(quán)系數(shù)K(這里假定為2)后作為E列內(nèi)的各行得分；

表-1：金屬化薄膜電容器熱壓參數(shù)正交試驗正交表代號---L9(34=81) 產(chǎn)品規(guī)格：CL21-1000V-332-[4.8×4.6-(1.7-0.4-2.1-0.4)] 日期：2010年12月10日

如：E3=K×e3(假定e3=3210)=2×3210=6420

其余各列的加權(quán)方法依此類推；

●在實際應(yīng)用時J3的值也可以根據(jù)因素和評價性質(zhì)按求和的方法來計算,如：

其余各項以此類推。

②溫度列與Ⅰ位級之和對應(yīng)數(shù)184227.7的計算方法

184227.7=溫度（140℃）Ⅰ位級之和=J1+J4+J7=53193.0+87348.9+43685.8

③壓強與Ⅱ位級之和對應(yīng)數(shù)356743.5的計算方法

356743.5=壓強（0.35Kg/mm2）Ⅱ位級之和=J4+J5+J6=87348.9+114439.7+154955.0

④時間與Ⅲ位級之和對應(yīng)數(shù)283201.1的計算方法

283201.1=時間（300s）Ⅲ位級之和=J1+J5+J9=53193.0+114439.7+115568.4

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

其余因素位級和計算方法依此類推。

⑤因素列與極差(R)對應(yīng)數(shù)253359.8的計算方法

253359.8=因素極差R=因素列(本例為溫度)最大位級和－同因素列(本例為溫度)最小位級和=437587.5－184227.7

其余因素極差R計算方法依此類推。

5.關(guān)于正交試驗最佳工藝條件（或參數(shù)）的理論值

前面我們已指出9組試驗的最佳結(jié)果為第3組（行號），得分為167064.1分，是9組試驗的最高分，對應(yīng)的最佳工藝試驗條件是

溫度120℃—芯子壓強0.35Kg/mm2—時間200s—數(shù)量1000支/盤

但它不一定是81組試驗中的最佳工藝條件或參數(shù)。怎樣才能從9組實驗中找到趨于81組試驗中的最佳工藝條件或參數(shù)呢？其方法非常簡單：將因素位級和中對應(yīng)的最大值或最小值挑選出來即可。本例采用“正向評價”，即得分越高，說明工藝條件越好，如平均擊穿電壓得分高，說明產(chǎn)品耐壓高；但在實際應(yīng)用中,試驗者也可以采用“反向評價”法，例如用外觀不良率來評價因素，此時得分的性質(zhì)就變?yōu)樵叫≡胶谩＞烤惯x用哪種方法來評價，試驗者可根據(jù)因素的特點和需要來確定。從表-1可以看出，對4因素（溫度、壓強、時間、數(shù)量）算出的最佳工藝條件（或參數(shù)）的理論值分別如下：

437587.5溫度3（120℃）→364113.1壓強1（0.35Kg/mm2）→342496.7時間1（150s）→346773.2數(shù)量1（900支/盤）

6.關(guān)于試驗后因素的主次確定

位級和極差越大，說明該因素的重要度越大，對考核評價效果的影響也越大，從表1可得出溫度（253359.8）→壓強（132053.6）→數(shù)量（44236.3）→時間（15278.4）因素主次排序如圖1。分清因素主次，有利于抓住關(guān)鍵和核心問題，提高效率、降低成本、節(jié)約資源。

7.各因素位級對試驗效果的影響分析

各因素位級對試驗效果的影響請見圖2、圖3、圖4和圖5，各圖的數(shù)據(jù)來自表1。

從圖4可以看出：數(shù)量的位級得分和與數(shù)量的關(guān)系類似斜上拋物線，曲線的形態(tài)是凸的，它表明位級的得分和隨著數(shù)量變化有極值點，當(dāng)數(shù)量達到900支/盤時，數(shù)量的位級得分大約為極值點，是本例正交試驗算出的最佳理論值。

從圖2、3、5可以看出：在試驗范圍內(nèi)溫度、壓強、時間位級的得分和與對應(yīng)因素的關(guān)系是減函數(shù)，并且曲線的形態(tài)是凸的，它表明隨著溫度或壓強或時間的增加，對應(yīng)的位級得分和是下降的；反之對應(yīng)的位級得分和是上升的。因為圖2、3、5曲線的形態(tài)不如圖4好，為了確定優(yōu)選出來的參數(shù)是否為最佳值，需進一步修正試驗，如將溫度位級修正為110℃、120℃、130℃，壓強位級修正為0.25Kg/mm2、0.35Kg/mm2、0.45Kg/mm2，時間位級修正為100s、150s、200s后再進行試驗，如果再試驗得到的最大值出現(xiàn)的位置基本不變，這就進一步證明了選出的溫度、壓強和時間的參數(shù)的確是最佳工藝條件。

8.注意事項

1）從本例可以看出：通過正交試驗法計算出來的最佳工藝條件的理論值（簡稱：計算好結(jié)果）是：

溫度3（120℃）→壓強1（0.35Kg/mm2）→時間1（150s）→數(shù)量1（900支/盤）

與試驗得到的最佳工藝條件（試驗好結(jié)果）：

溫度3（120℃）→壓強1（0.35Kg/mm2）→時間2（200s）→數(shù)量3（1000支/盤）]

不同，根據(jù)實踐第一的原理，為避免失誤，應(yīng)把計算好結(jié)果與試驗好結(jié)果優(yōu)選出來工藝好條件再作一次對比試驗來確認，有利于總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，提高正交試驗法的應(yīng)用能力。

2）如果正交試驗不同位級的得分和極差很小，說明該因素對考察的對象影響可以忽略，應(yīng)重新分析，另選因素進行驗證；相反，極差越大，說明這個因素的水平改變對試驗結(jié)果的作用越大，這個因素就是問題的關(guān)鍵或最主要的因素，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先設(shè)法調(diào)整改善。

9.我公司應(yīng)用正交試驗法的收獲

我公司通過正交試驗法優(yōu)化了CH11、CBB11等系列老產(chǎn)品熱壓工藝，使產(chǎn)品平均擊穿電壓極限提高了500V左右，電容量J級品率約提高了6%，損耗值的波動幅度得到了有效控制，產(chǎn)品外觀質(zhì)量有了進一步改善。另外，我們利用正交試驗法在尋求新型噴金料、提高噴金絲利用率等方面也取得了一定成果，減少了噴金絲從40～50元/公斤一路飆升至130～165元/公斤給企業(yè)帶來的成本壓力。

10.結(jié)束語

綜上所述可以看出：正交試驗法特別適合薄膜電容器設(shè)計和工藝試驗中多因素多位級參數(shù)試驗優(yōu)選，通過正交試驗，可以使我們分清因素主次，看清工藝參數(shù)變化的作用趨勢，找出最佳工藝條件，有利于改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)的技術(shù)水平和市場核心競爭能力。但是，正交試驗法在國內(nèi)電容器行業(yè)中的應(yīng)用并不普及，為了促進同行認識、掌握和利用正交試驗法，加快企業(yè)技術(shù)和管理進步，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，特以結(jié)合實際的方式撰寫本文進行交流。由于認識膚淺，文中難免疏漏不足之處，敬請各位專家指正！歡迎各位同行共同探討，為加快國內(nèi)薄膜電容器行業(yè)的發(fā)展做出更好的貢獻！

[1]全國總工會電教中心.正交法和三次設(shè)計[M].科學(xué)出版社,1987.

[2]張德福,張偉祖.電容器質(zhì)量工程[J].電子質(zhì)量,1992.