质量风险分配在电子元器件选型中的应用

支 越，梅 强，王之哲，王小强



质量风险分配在电子元器件选型中的应用

支 越1,2，梅 强1，王之哲2，王小强2

（1. 江苏大学 管理学院，江苏 镇江 212013；2. 工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

电子元器件作为整机系统的基础和重要组成部分，其质量与可靠性直接制约整机系统的最终表现。提出了一种基于复杂度和重要度的质量风险层次化分配方法，通过把整机的质量风险指标合理分配至每个组成单元，为整机单位的电子元器件选型提供借鉴和支撑，有效保障整机系统的质量与可靠性。

电子元器件；选型；质量风险；分配；复杂度；重要度

电子元器件作为整机系统的基础和重要组成部分，其质量与可靠性对整机系统的质量、维修性和保障性均具有至关重要的影响，直接制约整机系统的最终表现。因此，电子元器件的选型，即如何选取合适的电子元器件来保证整机系统的质量可靠性显得尤为重要。

可靠性分配或者质量风险分配是目前常用的指导电子元器件选型的手段。质量风险分配是指将工程设计规定的整机系统质量风险指标合理地分配给组成该系统的各个单元，确定系统各组成单元的质量风险定量要求，从而保证整个系统的可靠性指标[1]。整机单位可以依据每种电子元器件的质量风险要求来采购合适的产品，以提高整机系统的经济性和安全性，对实现整机系统的性能优化具有重要意义。

1 质量风险分配原理介绍

质量风险在定义上是指潜在的、没有发生的、具有发生可能性的影响产品完成其规定功能的事件。通常可以选用“返修率”、“报废率”、“一次交验合格率”作为质量风险指标，间接表征特定质量管理水平下电子元器件产品发生质量风险的可能性。

由于实际的整机系统通常较为复杂，为了研究问题的方便，在质量风险分配前，可以对所研究整机系统做一定的抽象和假设：

(1)全部元器件的寿命分布均服从指数分布；

(2)全部元器件失效率均很小；

(3)全部元器件与系统的工作时间均相同。

质量风险分配依据的要素有很多，包括重要度、复杂度、失效率和费用等，其中重要度和复杂度是目前比较常用的要素。

1.1 重要度与复杂度概念

（1）组件/系统的复杂度界定

假设电子整机的组件由个企业提供的组件组成，每个企业提供的组件又由n个基本组成单元（部件、元器件）所构成，其中基本组成单元一般是一级晶体管（或电子管）电路，或者集成电路板（PCB），则系统的基本组成单元数计算如式（1）。

各个组件的基本组成单元数反映了组件的复杂程度，而整机的基本组成单元数则反映其复杂程度。组件/整机复杂度为组件或整机所拥有的基本组成单元的数量。

由于电子整机中集成了大量的电子元器件，而且电子元器件的质量有效性直接决定了电子整机的质量有效性，因此，在进行质量风险分配过程中计算每个组件包含的基本组成单元数量时，直接计算组件包含的电子元器件数量即可。

计算组件包含电子元器件数量有如下几种工程经验方法：第一，统计各个组件所有元器件个数，即统计全部电容、电阻等元件和真空管、半导体器件的个数；第二，仅统计各组件有源器件个数，即只统计真空管、半导体器件的数量；第三，按照等效有源器件统计，即将所有元器件按照质量风险等级折算为半导体器件，最后统计全部半导体器件的数量。等效有源器件件数的折算有如下经验式：

10个阻容元件≈1个半导体器件

1个真空器件≈10个半导体器件

1个继电器（或连接器、开关等）≈1个半导体器件

本文选用第三种方法来计算组件的复杂度。

（2）组件重要度界定

为了便于质量风险的定量化，以组件的故障表示潜在的质量风险。在电子整机中，第个组件的重要度定义为：第个组件的故障引起整机发生故障的概率，即：

从组件重要度定义可知，当某个组件的所有故障均导致整机发生故障时，则组件的重要度为1；

当无法给出实际统计数据时，则需要依靠经验评分（3）给出每个组件的重要度。

式中：d为某组件的经验分数，d≤；为总分值，评分方案一定时，该参数为常数。

1.2 质量风险分配方法介绍

目前常用的质量风险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据预计的各基本事件的概率值和系统目标值来对各分系统的质量风险进行重新分配；等分配法是认为各组成单元质量风险水平相同，主要用于基本质量风险和任务质量风险的分配法；AGREE法是由美国国防部电子设备可靠性顾问团提出来的经典方法[3]，适用于单元寿命服从指数分布的串联系统，是一种考虑了单元重要度的质量风险分配方法，目前已经广泛应用于国内外的电子元器件选型。

但是上述质量风险分配方法往往只关注各组成单元的重要度，没有考虑其复杂度，因此在分配各电子元器件的质量风险指标上会存在一定的偏差。为了更好地指导整机单位开展电子元器件选型工作，本文在AGREE法的基础上提出一种基于复杂度和重要度的质量风险分配方法，通过计算整机系统以及组件的重要度与复杂度，成功把整机的质量风险指标合理分配至每个组成单元，为整机单位在电子元器件采购方面提供借鉴和支撑。整机单位可以根据分配的质量风险要求选择合适的电子元器件产品，为整机系统的质量与可靠性提供有力保障。

2 基于复杂度和重要度的质量风险分配方法

2.1 基于复杂度和重要度的质量风险分配模型

根据产品质量和系统可靠性研究，大多数电子整机及其组件的故障间隔时间都服从指数分布，令组件或整机的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure, MTBF）为，则该组件或整机从前一次故障修复之后，运行到时间时不发生故障的概率为：

或者：第个组件从前一次故障修复后，运行到时间的质量风险度和质量可靠度分别为：

（5）

考虑组件重要度之后，将整机视为由个组件组成的串联系统，则系统质量风险s可以表示为：

（7）

对于指数函数e–x来说，当<<1时，有近似表达式成立，由于电子整机中组件的使用寿命一般要远低于其平均寿命，因此对式（7）进行两次正逆变化，转化为：

（8）

式（8）给出整机系统的质量风险同具有重要度权重的组件平均故障时间之间的函数关系，在此基础上，引入组件的复杂度概念，可以推导出下式：

式（9）两边取自然对数得到每个组件的平均故障间隔时间：

（10）

将式（10）代入式（5），得到每个组件在时刻的质量风险度：

此方法为对产品整体和组件质量风险服从指数型分布、考虑复杂度和重要度的一种质量风险分配方法，可以有效控制电子整机的质量风险。

2.2 质量风险分配方法的应用

在实际应用中，电子整机的质量风险目标（如“返修率”、“报废率”、“一次交验合格率”等）在研制前就已经确定。利用上述的方法计算各组件的重要度与复杂度，通过把整机的质量风险合理分配至各组件，得到每个组件的质量风险目标。

在此基础上，继续利用基于复杂度和重要度的质量风险分配方法，把每个组件的质量风险目标进行再一次分配，确定每个元器件的质量风险目标，为研制单位改善生产管理以及整机单位的元器件选型提供借鉴和依据。

3 应用算例

某终端的质量风险研制指标为返修率不超过5%。在研制过程中，由总体设计企业1提供终端的设计服务，主要子系统如信号接收系统、数据采集与处理系统、定位与通信系统、存储与显示系统和供电系统分别由企业3~7生产，在总装企业2处集成。终端的设计和子系统集成也会对终端质量风险有影响，因此把设计和总装服务也分别当成一个子系统开展质量风险分配工作。通过计算各个子系统的重要度和复杂度，就能利用基于重要度和复杂度的质量风险方法把5%的返修率指标合理分配至各个组成单元。

3.1 重要度和复杂度计算

（1）子系统的复杂度计算

根据1.1节提到的等效有源器件件数的折算方法，可以计算每个子系统的复杂度为：

1=6,2=5,3=6,4=7,5=5,6=7,7=5；

下标的1~7分别对应企业1~7。把子系统的复杂度相加即得到终端的复杂度=41。

（2）子系统的重要度计算

因为这些子系统对终端的质量和可靠性都同等重要，而总体设计企业1对这些子系统具有间接影响，这些子系统的质量和可靠性在一定程度上由总体设计的结果确定，所以可以根据如下规则设定这些子系统的重要度：

2=3=4=5=6=7=1/2；∑W=1(=1~7)

可以求出各子系统的重要度如下：

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

将各子系统的复杂度和重要度代入式(11),计算可得分配至子系统1~7的返修率指标分别为2.96%，4.88%，5.83%，6.77%，4.88%，6.77%和4.88%。

针对每个子系统，利用基于复杂度和重要度的质量风险分配方法，把每个子系统的返修率目标进行再一次分配，确定每个元器件的返修率指标，并以此为依据开展电子元器件的选型工作，选择符合返修率要求的电子元器件，为完成终端的研制目标提供有力保障。

4 结束语

为了更合理分配整机系统的质量风险，本文在AGREE法的基础上提出一种基于复杂度和重要度的质量风险分配方法，通过计算整机系统以及组件的重要度与复杂度，把整机的质量风险指标合理分配至每个组成单元，为整机单位的电子元器件选型提供借鉴和支撑。整机单位可以根据分配至每个电子元器件的质量风险要求来选择合适的产品，有助于提高整机系统的质量与可靠性，为完成研制目标提供有力保障。

[1] 何明礼, 向晓东, 郭尹亮. 基于重要度的系统可靠性分配方法[J]. 安全与环境工程, 2009, 16: 62-65.

[2] 杨静, 向晓东, 吴高明, 等. 可靠性分配理论在系统安全目标实现中的应用[J]. 中国安全科学学报, 2007, 17: 142-146.

[3] 李海泉, 李刚. 系统可靠性分析与设计 [M]. 北京: 科学出版社, 2003: 158-175.

[4] 张增照. 以可靠性为中心的质量设计、分析和控制 [M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

[5] 邵延峰, 薛红军, 张玉刚. 复杂串、并联系统的可靠性分配方法 [J].飞机设计, 2007, 27: 51-53.

[6] 曹建国, 陈世平, 李康. 复杂系统可靠性分配的优化方法 [J]. 四川兵工学报, 2000, 21: 22-24.

[7] 李大伟, 陈云翔, 项华春, 等. 一种改进的可靠性分配方法及其应用验证 [J]. 电讯技术, 2014, 54(12): 1700-1705.

[8] 尤明懿, 郑介春. 一种新的电子系统综合可靠性分配法 [J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2011, 29: 1-6.

（编辑：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，江苏镇江人，高级工程师，博士研究生，主要从事电子元器件检测与质量管理，E-mail: zhiy@ceprei.org ；王之哲（1988－），男，浙江金华人，工程师，博士，研究方向为电子元器件质量管理。

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

网络出版时间：2017-03-10 11:51