第四章 結果與討論
第五章 結論與建議
圖1-2 論文架構
第二章 文獻探討
2-1 無線區域網路系統( WLAN System)簡介
目前所普遍使用的無線區域網路基地台的起源，是國際電子電機 工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)於 1997年至1999 年陸續通過IEEE 802.11 及IEEE802.11a、IEEE 802.11b [21]無線區域網路標準的制定，並在2003 年也正式確立IEEE 802.11g 標準，各大廠商也陸續推出各種無線通訊零組件、設備以支援符合該 項標準。
IEEE 802.11 是目前使用最廣的無線區域網路通訊協定，它將基 本的無線區域網路稱為BSS(Basic Service Set)依組成方式的不同分為 基礎模式(Infrastructure Basic Service Set，又稱Infrastructure Mode)及 簡易模式(Independent Basic Service Set ，IBSS，又稱Ad hoc Mode) 兩種。
簡易模式(Ad-hoc Mode)的無線區域網路是一種純粹的無線區域 網路運作架構，此模式採用點對點的通訊方式，數個無線區域網路裝 置所形成的移動端點(mobile node) 可以互相連接通訊與傳遞資料，而 不需架設無線網路基地台作仲介裝置，如圖2-1所示。由於無需依賴 基地台的資料轉送，無線裝置可以隨時隨地自己形成一個無線通訊網 路，適用於臨時需要彼此通訊，而且僅是點對點傳輸的場合，由於不 經過基地台轉送，通訊範圍較小，亦無法連上有線端的網際網路 (internet)，因此在一般環境下實用性較差。
Mobile
Unit Mobile
Unit
Mobile Unit
圖2-1 簡易模式的WLAN
如圖2-2 所示，在基礎模式的WLAN中，BSS 可以藉由在傳統有 線區域網路中，用架設無線區域網路基地台(Access Point，AP)的方 式，直接透過基地台轉傳送(forward)有線與無線網路間傳遞的資料，
可 將BSS 連接上傳統有線網路，形成一個網路系統(Distribution System LAN，DSLAN)，並可以使用此種方式結合多個BSS 與有線 網路，組成延伸服務模組(Extended Service Set)。
Mobile Unit Mobile Unit
WLAN Access Point
Internet Network
圖2-2 基礎模式的WLAN
一般情形之下，延伸服務模組是為了擴展無線區域網路的服務範 圍，藉由此種設置方式，使用者可以在不同的無線區域網路基地台的 通訊範圍之間進行漫遊(Roaming)，而且網路連線不至於中斷，適合
大範圍的網路通訊運用。
由於簡易模式網路並沒有固定的網路拓樸(topology)，所以幾乎都 可在任何地點形成獨立運作的區域網路，而且網路是由數個無線裝置 行動點自行溝通組成通訊網路，並無中央控制的管理者存在，因此網 路管理人員難以對此種網路架構作適當監控。基礎模式下的無線區域 網路則是建構在有線網路上，透過基地台的連接，網管人員可以掌握 基地台與無線區域網路中各種行動裝置的運作情形，以達到各種網路 管理與系統維護。目前網際網路的使用相當普遍，無線區域網路的建 設也以基礎模式的網路架構為主，因此本研究將針對此種網路模式作 探討。
本 論 文 是 對 IEEE802.11X 系 列 的 無 線 區 域 網 路 傳 輸 基 地 台 (access point)進行硬體可靠度分析與評估，進行研究的對象為 IEEE802.11X系列的無線區域網路傳輸基地台，將基地台本身視為一 個系統主體，也就是母系統，其中的子系統包括機構(mechanical) 子系統，電器(electronic)子系統與軟體(software)子系統等三部 份，如圖2-3所示。機構子系統包括的硬體如機殼(housing)與基地台 的I/O界面連接器背板或抗電磁干擾隔離罩(shielding cage)等。電 器子系統就包括印刷線路板(PCBA)與PCBA上面的主動與被動元件等 零組件，主動元件就是RF射頻晶片與控制晶片等零組件，被動元件是 電阻電容或電感器等; 即受到主動元件指揮工作的零組件。軟體子系 統則是基地台本身燒錄在系統韌體上用來指揮系統運作的軟體程 式，例如燒錄在NOR Flash中的image driver等程式。因為軟體的性 質與硬體相差頗大，其相關的研究進行也沒有硬體久，它的可靠度分 析與評估，屬於另外的一個研究領域，機構子系統因為都是由構造較 簡單的機械零組件所構成，系統工作時屬於較靜態的部份，是較為堅
固的子系統，所以本研究是針對系統電器子系統進行可靠度分析與評 估，並就對無線區域網路基地台的壽命進行探討。
WLAN Access Point System
Mechanical
途。根據IEC60529 所訂定的標準規範[22]，如果是室內使用的系統產品，則考慮到的使用條件是以溫度為主，較無溼度，防水與防塵上 的考量。但是如果是架設在室外供大眾上網使用的基地台(out-door AP)，則需要考量到防水與防塵的問題。例如目前架設在機場與火車 站的走廊供旅客上網用的AP，因為有受到雨淋日晒與沙塵的問題，
在產品設計階段就需要考量到這些使用環境因素方面的問題。所以當 ODM客戶要求室外基地台的產品時，機構工程師自然就要設法在相 同的印刷線路板(PCBA)之下，設計出具有防水，抗太陽輻射與防塵 的AP機體外殼。因為這樣的機殼又妨礙到系統本身的散熱，所以如 何作最佳化(optimal)的設計也是考驗著機構工程師的設計能力。
2-2 無線區域網路基地台(WLAN AP)可靠度之文獻探討
在現有的期刊與文獻當中，在探討相關WLAN AP系統產品可靠 度的論文並不多見，大部份現有的文獻係針對WLAN AP相關的零組 件與通訊協定作研究。
WLAN AP的最重要關鍵零組件就是射頻晶片(RF chip)，射頻晶 片對於WLAN AP的重要性就如同電腦當中的CPU一樣。而在一般射 瀕晶片(RF chip)元件的可靠度研究與新元件製造技術的成果評估 上，由於高頻率振盪與高電場所造成的熱載子引致的時變性劣化一直 是非常重要的評估項目，目前的RF Chip都由場效電晶體所構成，所 以採用CMOS相容的製程，即NMOS與PMOS，而熱載子的效應最嚴 重的首推小尺寸的NMOS，因為其電子質量較輕易受電場加速，而且 尺寸較小的元件其電場強度也越強，高頻振盪與電場所造成的熱應力 破壞性也越大。所以抵抗熱應力對元件的破壞，自然也成為晶片設計 與製程上可靠度的一大挑戰。例如T. Ma 與L. Vishnubhotla 等人的相 關的研究論文曾指出在RF射頻晶片製造的去光罩製程中，是採取氟
電漿去光罩處理，而氟電漿處理時間越長的樣品，其線性區汲極電流 降低的程度越低，亦即對熱載子效應與熱應力的抵抗力越強，晶片的 可靠度也相對的提高[5][6][7]。
此外，在與RF射頻晶片類似產品的可靠度研究文獻中，有K. T.
San與G. Verma曾指出，快閃記憶體晶片(flash memory)在可靠度上的 考量和RF射頻晶片是相同的，因為構成晶片的場效電晶體及雙載子 接面電晶體技術是相似的，兩者都是由數十萬個微小場效電晶體所 構成的積體電路，只是晶片在系統產品中所扮演的工作角色不同。
RF射頻晶片在系統中是負責發射與接收由資料封包所構成的無線電 波，而快閃記憶體晶片是負責儲存系統中的資料封包。 因為溫度的 因素，造成晶片的場效電晶體氧化層內大量電洞的產生，被認為是許 多快閃記憶體發生可靠度問題的一個主要原因 [8][9][10]。J. S.
Wirttrs等人也曾研究指出，快閃記憶體在寫入以及抹去的過程中，經 歷了高電場的電應力。高電場下的熱載子在快閃記憶體中製造了氧化 層電荷和表面缺陷，兩者皆破壞了在氧化層中熱載子傳輸的效率，並 且造成了元件臨界電壓的漂移，使得快閃記憶體所記憶的資料遺失，
同理，如果臨界電壓的漂移發生在RF射頻晶片，則會形成RF射頻晶 片發生頻頻飄移的頻偏現象，使系統通訊功能異常。所以溫度因素造 成熱應力的破壞而影響晶片的可靠度[11][12][19]。
上述各篇論文在本論文的研究中都是屬於偏重元件物理層面的 研究，所以要對WLAN AP的系統可靠度進行探討，需要由現有研究 相關產品可靠度的文獻進行彙整，其中包括由WLAN AP的相關產品 方面(無線網路模組與射頻晶片)有關的可靠度相關研究，並再配合本 研究之可靠度測試試驗的驗證，確定試驗結果的合理性，再由試驗結 果對WLAN AP系統進行可靠度評估與分析。
第三章 研究方法
由於電子業的可靠度除了常用到統計與數學的方法[13]來估算可
靠度模式如MTBF 及 MTTF 外，亦常實地進行各種硬體可靠度壽命 試驗(life test)，大致上可分為機構試驗(mechanical test)-諸如衝擊試驗 (shock test)、振動試驗( vibration test)，跌落試驗(drop test)等，電性試 驗(electrical test)諸如-電源陡降試驗(power drop test)、雷擊試驗(power line surge/ sag test) 、 軟 體 試 驗 (soft ware test) 與 環 境 試 驗 (environmental test)- 諸 如 溫 溼 度 循 環 試 驗 (temperature/ humidity cycling test)等[2][20]，及加速試驗(accelerated test)等，藉由試驗找出 會影響產品可靠度的主要因子(factor),再由研發設計來改善產品的性 能。本論文的主要目的是針對無線區域網路基地台的硬體進行可靠 度分析與評估，先對產品進行可靠度壽命預估，再進行可靠度壽命驗 證試驗，並找出系統最脆弱的部份而作設計的改善，以提高系統可靠 度，其研究進行的步驟如圖3-1 所示。
WLAN AP 樣品 180 個
平均失效間隔時間預估 (MTBF Prediction)
失效模式效應分析/ 失效樹分析 (FMEA/FTA)
零件表面熱分佈試驗 (Thermal Profiles)
平均失效時間展示試驗
(MTBF DEMO) 加速試驗(Accelerated Test)
WLAN AP
的MTBF
值(MTBF of WLAN AP)
圖3-1 WLAN AP 可靠度分析與評估進行步驟本論文研究之初，在新產品概念研發計畫評估後，確定產品可以 開發，即利用目前現有的可靠度預估與可靠度測試的方法，對產品進 行評估與分析。新產品開發階段的可靠度評估如圖3-2 所示，茲簡述 如下，當新產品概念形成之後就要建立功能規格需求，包括可靠度需 求，再依可靠度需求制定可靠度計劃，並進行可靠度分析與評估。然 後依可靠度評估的結果進行零件選料，作為硬體工程師設計開發的參 考，並作工程樣品試產(engineer samples pilot run)以供平均失效間隔 時間展示試驗(MTBF demonstration)使用。在進行平均失效間隔時間 展示試驗前需先進行各項篩選試驗(screen test)，以排除浴缸曲線中的 早夭期(early failure)失效。篩選試驗是依據 IEC68 的標準規範的方式 進行，先進行預燒(burn-in)篩選試驗，再進行電性應力篩選試驗，最 後進行機械與環境應力篩選試驗，各項篩選試驗的進行如圖 3-3 所 示。經過各項篩選試驗後的工程試產的樣品，共有 180 台進行平均失
本論文研究之初，在新產品概念研發計畫評估後，確定產品可以 開發，即利用目前現有的可靠度預估與可靠度測試的方法，對產品進 行評估與分析。新產品開發階段的可靠度評估如圖3-2 所示，茲簡述 如下，當新產品概念形成之後就要建立功能規格需求，包括可靠度需 求，再依可靠度需求制定可靠度計劃，並進行可靠度分析與評估。然 後依可靠度評估的結果進行零件選料，作為硬體工程師設計開發的參 考，並作工程樣品試產(engineer samples pilot run)以供平均失效間隔 時間展示試驗(MTBF demonstration)使用。在進行平均失效間隔時間 展示試驗前需先進行各項篩選試驗(screen test)，以排除浴缸曲線中的 早夭期(early failure)失效。篩選試驗是依據 IEC68 的標準規範的方式 進行，先進行預燒(burn-in)篩選試驗，再進行電性應力篩選試驗，最 後進行機械與環境應力篩選試驗，各項篩選試驗的進行如圖 3-3 所 示。經過各項篩選試驗後的工程試產的樣品，共有 180 台進行平均失