1.1 前言
自 1920 年第一張記錄用卡片上市至今[1]，全球已發行十億張以上的 卡片，廣泛地使用在日常生活中，而若把日常最常接觸的電話卡及停車、
乘車磁卡等等估算，其使用數量更不記其數。但是此種磁條卡只能儲存簡 單的安全碼，只要一台讀卡機，任何人都能讀取其資料，也能重編程式，
所以容易發生盜刷、側錄、偽卡氾濫的事件，其安全性甚低。
IC 卡(或稱晶片卡、智慧卡)在全世界最早是由日本人有村國孝於 1970 年發明，專利第940548，此記載於特公昭 53-6491 號中。專利申請日為 1970 年3 月 3 日，專利權是由申請日開始，到第二十年的 1990 年 3 月 3 日為 止[2]。IC 卡是目前所知安全性最佳的儲存媒體，就像一張裝了微型電腦 的卡片，較能防止持卡人的資料被盜用，是比磁條卡更安全的支付工具。
此因其單晶片作業系統對於儲存每一筆資料均有嚴格的存取控制，而且可 以提供加密演算，將訊息直接傳入 IC 卡中運算，密鑰完全閉鎖在晶片之 中，不會洩漏到晶片之外。但是晶片價格高昂，因而無法普及，近年來由 於晶圓代工價格逐漸下滑，使得 IC 卡的製造成本大幅降低，加上網際網 路興起帶動電子商務的發達，IC 卡具有的高保密性與安全性再度受到重 視。目前使用 IC 卡之最大問題在於資訊平台和管理系統等尚未完全普及 化，所以IC 卡與磁條卡將會並存好一段時間。
上述兩種卡片均各需有專用之讀取裝置，而具有整合兩種卡片讀取功 能之複合式讀卡機提供了最佳的解決方案，但必須能滿足下列要求：磁條 卡採動態刷動以磁頭讀取磁條上之資料，而 IC 卡採用讀取頭與卡片之端 子做靜態連結，不致因相互滑動接觸造成摩擦磨損而減短使用壽命甚至於 無法使用。平均一張IC 卡的使用壽命可讀取 10 萬次，在可靠耐用性上更 非磁條卡得以比擬。IC 卡接點機構設計之重點是 IC 卡插入讀卡機於接觸 時機構帶動之連接裝置，其使用壽命需達 50 萬次以上[3]。因此在機構設 計時，不可僅以一般連接器的接觸方式來思考，而必須具有所謂 Landing 的功能，才不致因磨損而無法使用。因此對複合式讀卡機做失效分析與可 靠度評估是值得研究的課題。
1.2 研究背景與動機
隨著科技發達使人類在交易支付方式，從遠古時代之貝殼，演進至錢 幣，再進入現今及未來的塑膠貨幣的盛行，均是由於金融自動化所帶來之 便利。在交易自動化的結果，將可減少處理成本，以及降低偽幣風險。只 要有人類的地方即有交易的存在，而金融交易自動化的趨勢是不可避免之 人類演進的過程。
在金融交易自動化當中，讀卡機扮演很重要的交易介面角色，舉凡自 動櫃員機(ATM)、轉帳繳款櫃員機（Kiosk）、Point-Of-Sale（POS）機、加 油機、公用電話、數位電視機上盒等等，都可看到讀卡機的廣泛應用實例。
因此讀卡機對於塑膠貨幣之普及化佔有很重要地位。複合式讀卡機能讀取 磁條卡與 IC 卡的資料，這可以提供更多元化的附加服務，預期未來可望 逐漸蔚為市場的發展潮流。台灣 IC 卡市場發展至今，總發卡量直逼三千 萬張大關，在政府政策推動與民間商業行為雙重影響下，基礎建設正逐步 建置，而讀卡機之可靠度，將無庸置疑是整個卡片產業發展的重要因素之 一，也是讀卡機產業的核心競爭力，其研發不只是創造新產品與創新應用 模式，同時也在改善設計及保證產品的可靠性。若在產品設計初期便對未 來可能遇到的問題進行分析，設計產品較能符合各階段工程的要求，減少 後期設計變更的次數，藉此縮短研發時程增加獲利。
可靠度是產品品質的要素，因此產品可靠度的良窳將直接影響產品的 品質與競爭力。可靠度評估的重點為量化發生失效的機率，而評估過程中 最重要的工作在於元件失效機率的決定。所以必需收集許多元件的資訊，
諸如失效時間、壽命等。並分析失效原因以利採取對策，並應用合適的方 法來修正在單純環境狀況下所獲得之失效率並建立一系統性的方法來評 估複合式讀卡機的可靠度，此對於塑膠貨幣的發展有重要影響。
亞太區智慧卡協會(APSCA) 表示，2005 年的智慧卡博覽會將加入台 灣通訊、金融、交通與身份認證四大領域的智慧卡應用實際案例，象徵國 內智慧卡應用在逐步落實後，邁向應用整合的領域前進。台灣的智慧卡應 用在全球可說是相當特殊案例，進度也遠比多數國家快速，進三年來包括 健保、金融、交通與認證等應用逐漸到位，已成為全球矚目焦點。整合現 有的IC 卡應用，透過跨產業整合，創造出更便利的 IC 卡使用環境，由此
2
也再再顯示讀卡機的未來龐大商機。
1.3 文獻回顧
就本文主題，在許多有關可靠度評估的書籍資料中，如：Ang &
Tang[4]、Paul Kales[5]、Dhillon[6]、Charles E. Ebeling[7]，均有介紹可靠 度相關理論推導與計算方法、機率分佈、參數估計、最小平方法等，以估 計可靠度。在失效模式與效應分析方面，如Paul Kales[5]、柯輝耀[8]、張 起明[9]均有詳細說明與實施方法，透過此縝密的分析工作，使在設計初始 階段能預防缺陷、消除潛藏之失效模式、關鍵項目與研究防制的方法，以 提高產品可靠度。在材料疲勞破壞方面，Collins [10]詳細介紹了影響 S-N 曲線、疲勞強度之諸多因素，如：料件表面狀況、腐蝕、表面處理、熱處 理、溫度等，了解這些變數後，可做為零件設計與製造之調整參數的參考。
在機械元件的設計過程之中，依據強度與應力的機率分佈以估算可靠 度；相反地，可以從外力、可靠度需求與一些已知條件，以決定元件的尺 寸。所以在設計時，可靠度扮演的角色相當於安全因數。此外，可靠度的 概念提供了元件的安全因數對於由強度與應力概念所組成的不確定事務 [11]有關的或然率關係。當應用可靠度概念設計零件時，基本數據必需已 知，這些隨機變數包括：材料的強度、應力與不同的設計因素等，上述隨 機變數經常被假設為常態分佈，這種假設是合理的，這是因為考慮的變數 是相互獨立的，致使沒有一個變數對於其他變數有很大影響力。
對於機械件的可靠度設計而言，產品越複雜、所使用的零組件越多，
可靠度越低。可靠度與產品性能一樣，應視為產品的設計參數，而且在設 計之初就必須考慮，並借助可靠度驗證以利用所有可用資料做評估與證明 產品對於可靠度需求的達成程度。疲勞壽命可靠度分析方法有很多，
Avakov[12]於 Goodman Diagram 推導安全因數的表示式，以計算承受變動 應力的安全因數，但採取以實際安全因數與理論安全因數的比值來判斷是 否可靠，仍視安全因數為定值是無法符合實際需求。Mischk[13]與 May 等 [14]提出安全因數可靠度的方法，因是應用 Chebyshev 不等式，所以僅是 粗略的估計方式。Bagic[15]考慮疲勞強度減少係數，如：缺口、表面粗度、
尺寸、環境因素等，以修正Miner’s Rule，藉由累積損傷理論與藉助 SN 曲 線做疲勞設計。Chang[16]在機械元件承受變動負荷時，提出計算疲勞壽命
可靠度的多種方法，其中提及在Goodman Diagram 中，平均應力與應力振 幅具有相同安全因數，亦即變動負荷的平均應力與應力振幅的比值相同，
並應用泰勒級數展開計算強度與應力的平均值與標準差，再利用強度－應 力干涉理論計算可靠度指標，是一個簡單且直接的方法，以取代傳統的安 全因素，而一般在固定之應力振幅下，耗時實驗收集數據建立 SN 曲線，
再利用機率分佈理論量化疲勞壽命可靠度的方式[17]是比較煩瑣。
1.4 本文研究方向
本文旨在探討複合式讀卡機之疲勞失效分析與可靠度評估。在做失效 分析之前，首先對於複合式讀卡機的架構、零件組成、作動流程與影響功 能的主要因素做詳細瞭解，然後建立可靠度方塊圖，以顯示可靠度相關 性。然後借助失效模式與效應分析的方法以分析系統內潛藏的失效模式，
發現弱點與缺失，並找出防範與補救對策，對於失效率偏高、危害系統可 靠度最嚴重者做疲勞壽命可靠度評估。並經由實測、理論計算分析零件在 受力狀況下的變位量。在實驗與計算可靠度方面，建立實驗方法與應用不 同破壞準則，並利用first order second moment 方法計算可靠度指標β值，
然後研究各參數之變異程度對機件疲勞壽命之可靠度影響，並分析何種破 壞準則可得到較保守之可靠度指標β值。在可靠度設計分析方面，進行擇 優設計以獲得滿足需求與使用中不發生失效之具最佳可靠度水準之零件 設計。進一步分析機件各設計參數對可靠度之敏感度分析，於敏感度分析 結果之中，可選擇高敏感度參數作為設計、製造、進料檢驗重點以生產高 可靠度低成本之機件。以可靠度的概念，並配合力學的觀念，求證壽命在 應力與強度之關係。研究流程整理如下：
4
複合式讀卡機之剖析 可靠度方塊圖 失效模式與效應分析
力學分析 實驗與可靠度計算 建立破壞準則
可靠度設計
可靠度分析 敏感度分析