Pět mýtů o spolehlivosti

Americká společnost DfR Solutions je jedním z předních světových dodavatelů řešení pro kvalitu, spolehlivost a bezpečnost v elektronickém průmyslu. Byla založena v roce 2005 a její pracovníci jsou experty z oborů leteckého, automotive, vojenského, solárního a polovodičového průmyslu. Více informací je uvedeno na webové stránce (www.dfrsolutions.com).

Mýtus 1: Nedělejte si obavy z vlastního návrhu výrobku, většina problémů je totiž způsobena defekty od dodavatelů

I když původ většiny problémů lze ve vztahu ke spolehlivosti vysledovat až k dodavateli nebo výrobě, nejhorší případy uplatňování záruky bývají důsledkem návrhu výrobku, neboť libovolný výrobek dodaný zákazníkovi může být problematický. Výsledkem je, že komplikace při návrhu pravděpodobně vyústí v dodatečné opravy výrobku. Je proto lepší věnovat základním požadavkům vývoje a návrhu zvýšenou pozornost.

Mýtus 2: Navrhuji výrobek pro drsné prostředí a poznatky ze spotřebitelské /počítačové elektroniky mi moc nepomohou

Námaha, kterou prodělává počítač nebo mobilní telefon, může zdaleka převýšit zátěže, se kterými se počítá při vývoji vojenských, leteckých nebo průmyslových zařízení. Tak například teplota přenosného počítače ponechaného na zadním sedadle auta může za letního dne snadno dosáhnout až 80 °C. Když se to zkombinuje s teplotou součástek přes 100 °C při chodu počítače, získáte hned termální cykly v počtech a rozsahu, které převyšují např. hodnoty u jednotek pro ovládání motorů (ECU) v komerčních a vojenských aplikacích.

Mýtus 3: Ověření návrhu výrobku je to samé jako kvalifikování výrobku

Důvodem pro ověření návrhu výrobku je zjištění rezervy mezi skutečnými a limitními konvenčními hodnotami. To je typicky prováděno na prototypech a několika málo kusech (1 až 3). Během ověření návrhu se používají různé testy (HALT, „Paint the Corners“, UL Testing, Ship-Shock atd.). Pokud návrh splňuje požadavky, může se přikročit k ověření výrobku.

Důvodem pro kvalifikování výrobku je nutnost prokázat, že návrh výrobku spolu s jeho výrobními procesy jsou dostatečně dobré k zajištění např. 10leté životnosti produktu. Kvalifikování výrobku by mělo proběhnout z počátku výroby, ne však na prototypech, a na dostatečně velkém počtu kusů (5 až 20), aby bylo možné zjistit případné výrobní nedostatky. Testy, které se provádí při kvalifikování výrobku, zahrnují hlavně tzv. accelerated life test (ALT).

Pokud se kvalifikování výrobku provádí na prototypech, může se významným způsobem změnit výsledek testu. Prototypy, které projdou kvalifikací, nemusí být shodné s výrobními kusy, a tím se zvyšuje riziko, že výrobní nedostatky finálních produktů nebudou zahrnuty do výsledků. Pokud prototypy neuspějí při kvalifikačním testu, zjištěné nedostatky nemusí souviset s výrobními problémy a jakákoliv snaha o identifikování problému bude ztrátou času a vynaložených prostředků.

Mýtus 4: Odolnost výrobku může být použita k prokázání spolehlivosti výrobku

Ne. Odolnost výrobku není to samé jako jeho spolehlivost. V čem je rozdíl?

Odolnost výrobku je měřítkem jeho imunity vůči stresu. Např. ocel silná 1 cm je více odolná než papír o tloušťce 0,025 mm. Časový rozměr bývá nulový, takže to může být např. ihned po výrobě nebo ve chvíli, kdy výrobek dorazí k zákazníkovi.

Spolehlivost výrobku je měřítkem jeho schopnosti fungovat předepsaným způsobem a za určených podmínek po očekávanou dobu. Požadovaná funkčnost může být popsána např. výstupními parametry, jako jsou uspokojivý přenos u komunikačního výrobku, přesnost identifikace počasí u leteckého radaru nebo čistota prádla z automatické pračky. Podmínkami provozu může být např. definovaný AC vstup, bouřkové počasí nebo vařící se voda k praní. Očekávaná doba trvání může být uváděna v hodinách, km nebo počtech cyklů praní a sušení. Spolehlivost je tak definována jako specifická vlastnost aplikace.

Podívejme se třeba na vysílač v mobilním telefonu, který pracoval po tři roky, a podobný vysílač v komunikačním satelitu, který vykonával stejnou funkci po deset let. Oba mají stejnou spolehlivost, i když odolnost satelitního vysílače jistě mnohokrát převyšuje odolnost vysílače v mobilním telefonu.

Mýtus 5: Spolehlivost je jenom statistika

Firmy, které vyrábí jedny z nejspolehlivějších výrobků na světě, vynaloží na statistické odhady relativně velmi malé procento z nákladů vývoje výrobku. Mnoho OEM výrobců z oblasti telekomunikací, vojenské techniky, leteckého průmyslu a průmyslové automatizace vyžaduje hodnotu MTBF (Mean Time Between Failure) od svých dodavatelů.

MTBF, známé jako ‚průměrná doba života výrobku’, definuje časový úsek, ve kterém bude pravděpodobnost poruchy 63 %. Základní procesy výpočtu MTBF zahrnují aplikování konstantního parametru poruchy každé součástky a sumarizaci všech dílů v návrhu. I když se během let objevila řada připomínek směřujících ke zlepšení tohoto čísla, přihlížení k dalším možným důvodům pro selhání, jako je vliv teploty, vlhkost, deska plošných spojů, pájené spoje atd., může vést k potenciálním chybám.

Průměrný inženýr (a ještě méně ten, kdo inženýr není), předpokládá, že výrobek s hodnotou MTBF 10 roků bude spolehlivě pracovat minimálně 10 let. Ve skutečnosti tento výrobek pravděpodobně selže dlouho před uplynutím uvedených deseti let. Primární metodou zvýšení MTBF je totiž redukce počtu součástek. Pokud však odstraníme součástky kritické pro určité funkce obvodu (sice bez vlivu na testování výrobku), ovlivní to spolehlivost produktu při jeho používání.

Jak tedy firmy s vedoucím postavením v elektronickém průmyslu zacházejí s hodnotou MTBF?

1. Najdou začínajícího inženýra.
2. Zeptají se zákazníka, jakou hodnotu MTBF by chtěl (10 let / 50 000 hodin).
3. V kalkulaci MTBF provedou různé úpravy, které umožní dodat zákazníkovi přesnou hodnotu MTBF, kterou požaduje, a ještě několik tisíc hodin navíc jako hezkou rezervu.

Potom začnou tradičním způsobem přezkoumávat návrh výrobku. Následuje analýza souvisejících procesů řízení a prognóza spolehlivosti. Záruka, na rozdíl od MTBF, je potom stanovena na základě výsledků metodického vyhodnocení dat z předchozího roku, které zahrnou všechny změny v návrhu, výrobě a dodavatelském řetězci.