健壮设计在专用设备研发中的应用

杨树文，海燕

(北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

随着技术产业的兴起、社会生产力的提高和消费的多样化，促使市场竞争已由价格竞争为主转向全面质量竞争，即产品种类、性能、价格、货期、可靠性、售后服务等。而传统的质量概念基本是指产品性能是否符合技术规范，采用简单的“门柱法”[1]，即符合性质量控制。这种方法的不足是质量控制立足于制造，而不是立足于设计，发现和解决问题的时机晚、代价高。这种方法在工业发展的初期，产品技术含量低和结构简单等情况下，符合性质量控制还能够起到把关作用，但是对于产品技术含量高、结构复杂，就需要适用性的观点。健壮设计则随着技术的发展很好地适应了这种质量需求。

1 健壮设计的内涵

健壮设计是20世纪80年代以来由工业发达国家推出的开发高质量、高可靠性、短周期、低成本产品的先进设计思想和相应的方法体系，对于提高产品研制质量发挥了重要作用。“健壮设计是这样一种设计方法，它使所设计的系统性能对于制造过程的波动或其工作环境的变化是不敏感的，而且尽管零部件会漂移或者老化，系统仍然能够在其寿命期间以可接受的水平继续工作”[1]。

健壮设计的指导思想是以客户需求为导向来开发产品，需求是决策依据；强调设计方案和生产制造减少质量波动，使产品尽可能接近目标；通过优化系统设计，提高产品整体质量水平；通过开发适销对路的产品赢得市场，获得良好的经济效益。健壮设计的基本原理是通过深入开展需求分析，明确设计目标；通过总体方案的优化设计和技术创新提高产品的整体技术水平和市场竞争力；通过稳定性优化设计提高产品的抗干扰能力，减少产品的质量波动。其目的是提高产品的健壮性和生命力，以便在产品的全寿命周期内充分地满足顾客的需求。

健壮设计是在参数化、质量功能展开和系统设计等方法基础上进一步发展完善的一套新的优化设计方法，它以充分地和稳定地满足顾客的需要为宗旨，在常规设计的基础上，利用系统工程的基本原理，将质量功能展开、系统设计、试验设计、方差分析、参数设计与容差设计、故障模式与影响分析、故障树分析、仿真技术、工艺的稳定性优化设计、生产制造阶段的监控、反馈和调整等方法有机的结合起来，形成一种先进的方法体系[1]。

电子专用设备，比如切片机、划片机、光刻机、键合机和减薄机等，都具有特定的使用功能、操作方法和使用环境，因此研发时目标对象针对性较强、系统复杂，通常为正向设计。在研发中一般是通过详细的了解用户需求，把使用功能和工艺映射为具体参数进行设计，并且需要试验来验证设计和故障分析，在此基础上进行优化设计、降低成本、提高可靠性，最终形成产业化的产品，而健壮设计的工具和方法很好的适用了这种需求。

质量功能展开（QFD）是方案设计阶段十分重要的一种方法，能够在技术上确定优化的方案；试验设计能够对关键技术和质量问题进行分析和验证，提高产品质量，解决系统故障。这些对于研发产品有很好的应用优势，本文将对健壮设计的这两项主要技术方法进行简单的介绍，通过具体的案例进一步说明这些方法的使用和优势。

2 健壮设计的主要技术方法

2.1 质量功能展开（QFD）

QFD的基本原理就是用“质量屋”的形式，量化分析顾客需求与工程措施之间的关系，经数据分析处理后找出关键措施，从而指导设计人员抓住关键技术，进行优化设计，开发出满足顾客需要的产品[2]。

QFD的主要步骤大致为：

（1）质量屋的建立：质量屋也称质量表，是一种形象直观的二元矩阵展开图表，如图1所示。

（2）顾客需求分析与工程措施的确定：顾客或市场的需求往往比较笼统、定性化，有些意见比较片面。另外，随着时间的推移、经济和技术的发展、消费环境的变化，市场需求也是不断变化的。应当尽可能完整、及时地收集第一手市场信息。在此基础上，对这些原始信息进行整理、加工和提炼，形成系统的、有层次的、有条理的、有前瞻性的顾客需求。这些是设定产品质量目标的基础。

（3）关键措施或瓶颈技术的确定：首先要确定顾客需求与工程措施之间的关系度rij（关系矩阵），加权后工程措施的重要度以顾客需求的重要度作为加权系数，分别计算每项工程措施与全部顾客需求的加权关系度之和并进行比较，加权关系度之和大的那些工程措施就是关键措施。

图1 质量屋的结构

（4）市场竞争能力和技术竞争能力分析：市场竞争能力指数：，M值越大越好；技术能力指数,T值越大越好；综合能力指数是市场竞争能力指数与技术竞争能力指数的乘积，即C=MT，C值越大越好。我们将现有技术很难解决的技术关键称为“瓶颈技术”，在质量功能展开的过程中必须找出瓶颈，并攻克瓶颈技术。

（5）工程措施之间交互作用评估:通常用下列符号表示工程措施之间的交互作用或相关度：○为正相关，◎为强正相关，×为负相关，#为强负相关，空白表示该交点所对应的两项工程措施间不存在交互作用[3]。

2.2 试验设计和方差分析

试验设计的基本思想是制定适当的试验方案，以便于对试验数据进行有效的统计分析；试验方案安排合理，能够使试验数据具有合适的数学模型，以便减轻随机误差的影响，从而提高试验的精度和可靠度。

试验设计时应该遵循重复性原则、随机化原则和局部控制原则。通过合理的科学试验，可以减少试验次数，缩短周期，节省人力物力；能够在诸多的因素中分清主次，找出主因；能够得到各个因素之间的交互作用，得到最优的组合；更为重要的是通过方差分析，可以分析出试验误差影响的大小，提高试验的精度。试验设计的基本类型有析因设计、区组设计、回归设计和均匀设计等，而数据处理时方差分析起到了重要的作用。

方差分析是数理统计学中常用的数据处理方法之一，通过方差分析能够找出数据间的“变差”，对变差的度量是波动平方和，方差分析就是从总波动平方和中分解出可以追溯到指定来源的部分波动平方和[1]。通过数据分析能够找到多因素影响的主要因素，促进设计改进和优化工艺。

3 设计案例

划片机是集成电路后封装关键设备之一，其工作原理是采用超薄金刚石刀片作为切割刃具，空气静压电主轴带动刀片高速旋转对集成电路基片进行高精度切槽分割。

案例一：应用QFD方法建立设备模型

XX用户需求：

（1）设备具有自动上料功能；

（2）自动通过图像识别系统完成工件对齐工作并准确找到划切位置；

（3）配置非接触测高，在划片过程中能自动测高，刀片破损检测及断水保护功能；

（4）采用50 mm(2英寸)金属刀片切割；

（5）中文操作界面,触摸屏控制操作；

（6）划片槽宽度 CPK≥2。

由此建立质量屋，如图2所示。

对于其中的单元，还可以建立下一级的质量屋，逐级展开，详细的分析和描述，直到映射为具体的工程措施。比如其中的X轴工作台，可以建立二级质量屋，如图3所示[3]。通过建立质量屋，既明确了关键技术，又能够参数化，可以形成具体的结构设计，如图4所示。

图2 整机系统质量屋

图3 X 工作台质量屋

图4 X轴工作台结构图

案例二：应用重复试验和方差分析的方法分析材料划切崩边（图5）的影响因素。

图5 崩边图示（δ为理论值，ε为实际值）

对于划切加工，影响因素有主轴转速、进给速度、冷却液和刀具；为了能进一步明确这些因素的影响情况，采用正交试验，对4个影响因素量化分析。表1为因素水平表，考虑交互作用A×B、A×D，用L8(27)表，设计表头见表2，每号试验重复4次，记录试验数据，计算波动平方和（S），进行显著性检验(F)。

表3为实验结果分析表，表4为方差分析表。通过试验设计和数据分析，能够量化描述影响因素。其中A、A×B为高度显著因素，B、C为显著因素。另外，试验设计还能够确定最优的工艺组合，本例中A2B1C2D1为最优生产条件。

表1 因素水平表

表2 表头设计表

表3 实验结果分析表

表4 方差分析表

4 结束语

健壮设计的技术方法在工程应用中具有积极的作用；对于设备研发，重要的是需求分析和设计验证，即如何把用户需求转化为实际的工程模型，如何建立试验对关键技术和质量问题进行分析。本文结合设计案例，对QFD和试验设计及方差分析进行了较为详细的介绍。除此之外，健壮设计还有诸如系统设计、容差设计、静态/动态特性参数设计、风险分析等技术方法，能够针对不同的问题提供有效的解决方法和工具。

健壮设计对于提高设计质量，减少质量波动和降低成本都具有很好的作用；健壮设计的技术方法和工具较多，不但能够进行定性的描述，而且借用数学方法对过程数据处理后，能够定量对问题进行较为准确的描述。因此，健壮设计对于技术的进步和产品的全面质量的提高具有非常重要的作用。

[1] 中国电子科技集团公司第四十五研究所.健壮设计手册[M].北京：中国电子科技集团公司第四十五研究所内部资料，2-9，129-132.

[2] 马林.六西格玛管理[M].北京：中国人民大学出版社.470-471.

[3] 佀海燕.QFD在切割机工作台设计中的应用[J].电子工业专用设备，2011.39(11)：19-21.