無線區域網路產品的可靠度分析與評估-以IEEE 802.11X基地台為例

國

立

交

通

大

學

理學院應用科技學程

碩

士

論

文

無線區域網路產品的可靠度分析與評估-

以 IEEE 802.11X 基地台為例

A Field Case Study of Reliability Analysis & Evaluation of

Wireless Local Area Network System

(for IEEE 802.11X Access Point)

研 究 生：王 順 正

指導教授：張 起 明 博士

目錄

摘要 Abstract 謝誌 目錄……… I 圖目錄……… III 表目錄………. V 第一章 緒論……….. 1 1-1 研究目的與研究重要性………. 1 1-2 論文架構……….. 3 第二章 文獻探討………. 5 2-1 無線區域網路系統(WLAN System)簡介….………. 5 2-2 無線區域網路基地台(WLAN AP)可靠度之文獻探討……… 9 第三章 研究方法………. 11 3-1 WLAN AP 可靠度定義 ..……….…. 15 3-2 WLAN AP 平均失效間隔時間(MTBF) ..……….. 20 3-3 WLAN AP 平均失效間隔時間預估(MTBF Prediction)… .…. 22 3-4 零件表面熱分佈試驗……….……… 25

3-5 WLAN AP FMEA 與 FTA 分析……….…… 27

3-6 WLAN AP 加速壽命試驗 .……….. 33

3-7 WLAN AP MTBF 適合度檢定 ..………..………. 38

3-8 WLAN AP 可靠度展示試驗 ....……… 40

3-9 RF 射頻晶片減額定設計 ..………... 42

第四章 結果與討論………. 46 4-1 可靠度試驗結果 ..………. 46 4-2 失效分析 ………... 52 4-3 討論………. 54 第五章 結論與建議..………... 57 5-1 結論………. 57 5-2 未來研究建議………. 59 5-3 研究貢獻 ……….. 60 參考文獻………... 62 附錄………... 65 附錄一 平均失效間隔時間預估結果資料 …..………. 65 附錄二 零件表面熱分佈試驗結果數據…………..………... 68 附錄三 失效模式與效應分析法(FMEA) ……….. 69 附錄四 失效樹分析法(FTA Analysis) ………... 74 附錄五 K-S 適合度檢定……….…. 78 附錄六 零件的減額定水準 .……….…. 80 附錄七 強度-應力干涉理論.……….….. 82

圖目錄

圖 1-1 無線區域網路概略架構 ….……….. 2 圖 1-2 論文架構 .……….. 4 圖 2-1 簡易模式的 WLAN………. 6 圖 2-2 基礎模式的 WLAN………. 6 圖 2-3 無線區域網路系統圖 ..………. 8 圖 3-1 WLAN 可靠度分析與評估進行步驟 ……….. 11 圖 3-2 新產品開發階段的可靠度分析與評估 ………... 13 圖 3-3 平均失效間隔時間展示試驗前的篩選試驗………. 14 圖 3-4 零件表面熱分佈量測試驗 ………... 26 圖 3-5 Intersial Prism 802.11b 超外差收發機架構圖 ………. 27 圖 3-6 IEEE802.11 b/g 超外差收發機架構圖……….. 29 圖 3-7 WLAN 系統失效樹分析圖 ….………. 30 圖 3-8 射頻晶片包裝下熱傳導示意圖………. 43 圖 3-9 RF 射頻晶片的減額定曲線 .……… 43 圖 3-10 射頻晶片表面加散熱片的減額定曲線………. 44 圖 3-11 不同氣流下的射頻晶片減額定曲線………. 44 圖 4-1 MIL STD781D 試驗計畫圖… .………. 47

圖 4-2 MTBF 加速壽命試驗………. 51

圖 4-3 積體電路燒毀……… 51

圖 4-4 電解電容器爆裂……….………... 53

圖 4-5 失效次數統計柏拉圖……… 53

表目錄

表 3-1 WLAN AP 之 FMEA 分析表 ..……….. 32 表 4-1 MTBF DEMO. 試驗結果報告表 ……….. 49 表 4-2 失效型態統計表 ………... 51

無線區域網路產品的可靠度分析與評估- 以 IEEE 802.11X 基地台為例

A Field Case Study of Reliability Analysis & Evaluation of

Wireless Local Area Network System

(for IEEE 802.11X Access Point)

研 究 生：王順正 Student：Shun-Cheng Wang 指導教授：張起明 Advisor：Chi-Min Chang 國 立 交 通 大 學 理學院應用科技學程 碩 士 論 文 A Thesis

Submitted to Degree Program of Applied Science and Technology College of Science

National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master

in

Degree Program of Applied Science and Technology

June 2006

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

無線區域網路產品的可靠度分析與評估- 以 IEEE 802.11X 基地台為例 研 究 生：王順正 指導教授：張起明 博士 國立交通大學理學院應用科技學程碩士論文

中文摘要

隨著行動電腦與無線網路設備的普及化，人們對無線區域網路的依 賴性日益增加，因而無線區域網路基地台的可靠度要求也相對提高。因 為 IEEE 802.11X WLAN AP 是最廣泛使用於 WLAN 的無線區域網路基 地台，所以本文針對開發階段的 IEEE 802.11X 無線區域網路基地台雛 型機樣本，進行平均失效間隔時間的可靠度壽命預估與加速壽命試驗， 將兩者結果進行比對以驗證實驗的合理性，並與零件表面熱分佈試驗進 行失效模式分析，進而了解無線區域網路基地台的平均壽命與產品失效 模式，且進一步分析無線網路基地台失效可能發生的原因，以供研發人 員作為系統設計改善與零組件選用上的參考，以期提高無線區域網路基 地台的可靠度，卑便提供大眾更完美的通訊服務品質。 關鍵詞：無線區域網路基地台、可靠度、平均失效間隔時間，加速壽命 試驗、失效模式分析

A Field Case Study of Reliability Analysis & Evaluation of

Wireless Local Area Network System

(for IEEE 802.11X Access Point)

Student：Shun-Cheng Wang Advisor：Dr. Chi-Min Chang Master Thesis Submitted to Degree Program of Applied Science and

Technology College of Science

National Chiao Tung University

Abstract

The mobile computer & wireless local area network(WLAN) is very popular all over the world so far. And we believe that the wireless local area network access point (WLAN AP) and device equipment are key components to internet communication. The IEEE 802.11X wireless local area network access point (IEEE 802.11X WLAN AP) is widely used in WLAN communication. Therefore high reliability is required. This is a field case study of reliability for the mean time between failure (MTBF) of the IEEE 802.11X WLAN AP. We obtain the failure mode information and mean time between failure (MTBF) value via the accelerated life test result and thermal profiles test result of the IEEE 802.11X WLAN AP in prototype stage. And the testing result can be utilized as an important reference for engineers to improve the design and the components selection of IEEE 802.11X WLAN AP.

Keywords：wireless LAN access point, reliability, mean time between failure(MTBF), accelerated life test, failure mode analysis

謝 誌

用心的耕耘就會得到愛的收穫，有了愛的收穫就會帶來美好的成果， 擁有美好的成果就能品嚐到永恆的幸福與快樂。交通大學理學院碩士在職 專班的這兩年，首先要感謝我的指導教授 張起明博士的耐心指導，每當 研究工作面臨困難與瓶頸時，老師總是從旁協助與支持，讓問題都能迎刃 而解，使得順正從學校畢業將近十年後，再拾起課本重溫學生舊夢的甘 苦，並且能在一邊工作一邊求學的短短兩年中，完成本論文的研究，順利 畢業，而且從老師身上學習到許多在可靠度的專業領域中不可多得的知識 與經驗，促使自己有所進步與成長。此外，非常感謝在碩士論文口試時， 交大理學院碩士在職專班主任 莊祚敏教授、交大物理研究所 林登松教授 及專程由外地前來擔任學位考試委員的 曹志毅博士與 黃清標博士等諸 位教授，細心的指正與建議，並提出許多寶貴的建議，使本論文在撰寫的 內容上更趨於完善，在此特地向擔任學位考試委員的教授們致上最崇高的 謝意。 順正離鄉背井在外地工作求學多年，與家人聚少離多，但是父母親與 我的太太美容學妹以及亞旭電腦公司的同事鄧淑珍小姐，不斷地在精神與 士氣上，給予極大的鼓舞與激勵，使得順正能夠在忙碌日子當中，順利地 完成學業，在此特別將論文研究的成果與畢業的榮耀獻給最愛我的爸爸、 媽媽與美容，並向弟弟與淑珍致上十二萬分的謝意。 在此同時也感謝交通大學理學院老師們的諄諄教誨與傾囊相授，以及 應用科技研究所之同窗好友在課業上的的相互砥礪及協助，使得順正能夠 百尺竿頭，更進一步地成長卓壯。

目錄

摘要 Abstract 謝誌 目錄……… I 圖目錄……… III 表目錄………. V 第一章 緒論……….. 1 1-1 研究目的與研究重要性………. 1 1-2 論文架構……….. 3 第二章 文獻探討………. 5 2-1 無線區域網路系統(WLAN System)簡介….………. 5 2-2 無線區域網路基地台(WLAN AP)可靠度之文獻探討……… 9 第三章 研究方法………. 11 3-1 WLAN AP 可靠度定義 ..……….…. 15 3-2 WLAN AP 平均失效間隔時間(MTBF) ..……….. 20 3-3 WLAN AP 平均失效間隔時間預估(MTBF Prediction)… .…. 22 3-4 零件表面熱分佈試驗……….……… 25

3-5 WLAN AP FMEA 與 FTA 分析……….…… 27

3-6 WLAN AP 加速壽命試驗 .……….. 33

3-7 WLAN AP MTBF 適合度檢定 ..………..………. 38

3-8 WLAN AP 可靠度展示試驗 ....……… 40

3-9 RF 射頻晶片減額定設計 ..………... 42

第四章 結果與討論………. 46 4-1 可靠度試驗結果 ..………. 46 4-2 失效分析 ………... 52 4-3 討論………. 54 第五章 結論與建議..………... 57 5-1 結論………. 57 5-2 未來研究建議………. 59 5-3 研究貢獻 ……….. 60 參考文獻………... 62 附錄………... 65 附錄一 平均失效間隔時間預估結果資料 …..………. 65 附錄二 零件表面熱分佈試驗結果數據…………..………... 68 附錄三 失效模式與效應分析法(FMEA) ……….. 69 附錄四 失效樹分析法(FTA Analysis) ………... 74 附錄五 K-S 適合度檢定……….…. 78 附錄六 零件的減額定水準 .……….…. 80 附錄七 強度-應力干涉理論.……….….. 82

圖目錄

圖 1-1 無線區域網路概略架構 ….……….. 2 圖 1-2 論文架構 .……….. 4 圖 2-1 簡易模式的 WLAN………. 6 圖 2-2 基礎模式的 WLAN………. 6 圖 2-3 無線區域網路系統圖 ..………. 8 圖 3-1 WLAN 可靠度分析與評估進行步驟 ……….. 11 圖 3-2 新產品開發階段的可靠度分析與評估 ………... 13 圖 3-3 平均失效間隔時間展示試驗前的篩選試驗………. 14 圖 3-4 零件表面熱分佈量測試驗 ………... 26 圖 3-5 Intersial Prism 802.11b 超外差收發機架構圖 ………. 27 圖 3-6 IEEE802.11 b/g 超外差收發機架構圖……….. 29 圖 3-7 WLAN 系統失效樹分析圖 ….………. 30 圖 3-8 射頻晶片包裝下熱傳導示意圖………. 43 圖 3-9 RF 射頻晶片的減額定曲線 .……… 43 圖 3-10 射頻晶片表面加散熱片的減額定曲線………. 44 圖 3-11 不同氣流下的射頻晶片減額定曲線………. 44 圖 4-1 MIL STD781D 試驗計畫圖… .………. 47

圖 4-2 MTBF 加速壽命試驗………. 51

圖 4-3 積體電路燒毀……… 51

圖 4-4 電解電容器爆裂……….………... 53

圖 4-5 失效次數統計柏拉圖……… 53

表目錄

表 3-1 WLAN AP 之 FMEA 分析表 ..……….. 32 表 4-1 MTBF DEMO. 試驗結果報告表 ……….. 49 表 4-2 失效型態統計表 ………... 51

1

第一章 緒論

1-1 研究目的與研究重要性 近年來，由於通訊產業競爭日益激烈，在電子產品方面的品質相 對地要求提高,當產品在研發階段時，如果能將可靠度導入產品設 計，則產品品質就會達到良好的水準，使產品能夠順利製造生產及銷 售，惠及顧客同時增加競爭力。因此可靠度應列為產品研發階段的主 要考量因素之一。 由於最近網際網路的普及，許多資訊都藉由網路傳遞，人類生活 上對網路的依賴性大幅增加。再加上近年來無線網際網路技術的精進 使得生產成本降低，又具有輕薄短小與無所不在的方便性，於是網路

通訊從有線邁入無線，而無線區域網路系統(Wireless Local Area

Network system; WLAN system)的使用也由企業普及到一般的家庭。

但也正因為它的普及與人類依賴性的增加，如果WLAN system 產品

的失效率高，則可能造成使用者的不便及社會活動的損失[1]。 一般而言，WLAN system 由硬體與軟體兩部份所構成，軟體用 來控制資料封包傳輸的通信協定與程式; 硬體則分為客戶端(client)與 主機端(host)，客戶端即一般的無線網路卡(WLAN card)或手持式行動 電話(cell phone)，主機端則是指無線區域網路基地台(wireless local area network access point; WLAN AP)。因為目前行動電話受到通訊頻 寬與處理器速度的限制，所以較少用在上網工作(如上傳下載資料)， 僅用於人們的通信工作。因為筆記型電腦(notebook)與掌上型電腦 (PDA)的普及，而一般的無線網路卡與基地台本身具有體積小功能強 的特性，加上免除網路線佈線工程的成本，促成了無線網路的蓬勃發 展。因為客戶端(client)本身只是透過無線網路，連接上主機端(host)，

來傳送或接收來自遠端的資訊。或是將伺服器(server)上分享(share) 的資源作讀取、儲存的工作。一些複雜處理與運算的工作可透過無線 網路，將資料傳送到伺服器上，處理完後再送回客戶端，無線區域網 路的概略架構，如圖1-1 所示。所以相當適合大企業使用,因為可以節 省許多成本與系統維護費用。 在價格與性能方面，因為 WLAN AP 所採用的硬體架構簡單，且 基地台體積小所佔空間少，通訊能力無遠弗界，所以構成功能強且少 失效的區域網路，相當經濟與實用。對大企業來說無非是節省成本的 良策，所以相當值得推廣與研究。 (WLAN AP) WLAN AP 圖1-1 無線區域網路概略架構 有關無線網路可靠度方面的期刊與論文，目前大多以研究WLAN 設備所採用的射頻積體電路方面的電子元件(components)或資料封包 傳 輸 方 面 的 軟 體 通 訊 協 定(protocol) 或 演 算 法 為 主 ( 例 如 IEEE IJQRM)，較少有無線區域網路系統方面整合性的研究文獻。但由於 人們對無線網路使用率與依賴性日益提高，無線區域網路系統一旦失 效，將對許多人造成相當大的不便與困擾，所以如何提高無線區域網 路系統的可靠度，是相當值得投入研究的一個領域[1]。 近年來相關之期刊論文中[2

]

[3][4]，常見針對產品可靠度評估進 行研究發表，而目前企業界在對系統產品進行可靠度評估時，則常用

到平均失效間隔時間預估(MTBF prediction) 與平均失效間隔時間展 示(MTBF demonstration)。企業界為節省試驗時間，更會配合加速壽 命試驗，當失效發生時，則進行失效分析，而在產品設計時，想找出 失效原因則又應用失效模式效應分析法(Failure Modes and Effects Analysis; FMEA)。本論文配合上述可靠度學理與實務應用現況，以無 線區域網路系統(WLAN system)中之無線網路基地台(WLAN AP)為

研究對象，並以WLAN AP 的硬體可靠度為主。 1-2 論文架構 本論文的架構如圖 1-2 所示，在第一章中，陳述進行研究的動機 與目的。第二章則對無線區域網路系統以及無線區域網路相關產品之 現有可靠度研究文獻進行整理與探討，包括現有的無線區域網路的系 統產品、關鍵零組件與軟體可靠度的分析與評估。第三章研究方法則 就實際個案展開探討，以現有文獻中的方法對某無線區域網路基地台 進行可靠度之定義，平均失效間隔時間(MTBF)之定義與預估以及加 速壽命試驗與失效分析，以確定失效發生的主要原因。在進行加速壽 命試驗時則觀察產品的失效模式，並依蒐集到的數據分析出產品的 MTBF，及對試驗中發生失效的產品樣本進行失效分析，且根據不同 的 MTBF 展示試驗的結果，找出失效樣品所分析出的失效模式，而 進一步歸納出WLAN AP 產品中影響產品可靠度的因素。第四章則是 對試驗結果進行討論，並探討MTBF、FMEA 與可靠度之關連性。第 五章則是個案的結論、未來研究與建議以及本研究的貢獻。

第一章 緒論

第二章 文獻探討

第三章 研究方法

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

(機構子系統)

Electronic

(電器子系統)

SoftWare

(軟體子系統)

EMI隔離罩 機殼 連接器 PCBA 主動元件 被動元件 驅動程式 應用程式 蓋板 框架 螺 絲 板 殼 導 光 柱 電 源 連 接 器 信 號 連 接 器 射 頻 晶 片 控 制 晶 片 電 阻 器 電 容 器 電 感 器 基 座 板 銅 箔 安 裝 資 訊 檔 驅 動 連 接 檔 Window OS Linux OS 圖2-3 無線區域網路系統圖 除此之外，因為無線區域網路基地台(AP)本身幾乎都在室內使 用，所以在規格書上所定的使用環境條件也是以室內(in-door)環境為 準，加上產品在開發階段的工作都是在模擬室內環境的實驗室進行， 所以設計研發工程師本身也是將自己所設計的產品作為室內的用 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)

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

效間隔時間展示試驗。最後顧客再依據平均失效間隔時間展示試驗結 果作為是否能進行大量生產的參考。

在可靠度預估方面，先由物料清單(bill of materials; BOM)得知所 有的零組件，進一步由零組件規格書(data sheet)得到每一項零件的失 效率與平均壽命。利用目前業界常用的Bell-core (Tele-cordia)的可靠 度 預 估 軟 體 ， 進 行 可 靠 度 的 平 均 失 效 間 隔 時 間 預 估(MTBF prediction)[13]。為了進一步確定所估計出產品壽命預估值的合理性， 再對產品進行平均失效間隔時間展示試驗(MTBF demonstration test) 與加速壽命試驗。平均失效間隔時間展示試驗是為了驗證平均失效間 隔時間預估值的合理性。為了縮短平均失效間隔時間展示試驗的試驗 時間與節省試驗樣品數目，所以在本研究中，特地利用溫度加速壽命 試驗，以儘早得到試驗結果。即平均失效間隔時間展示試驗中配合加

速壽命試驗。因為根據第二章文獻探討中的研究指出，溫度是造成電 子系統產品破壞與老化的因素，對產品可靠度的影響很大，所以本研 究的試驗以溫度為加速壽命試驗的加速因子。並藉由加速壽命試驗找 出平均失效間隔時間預估與平均失效間隔時間展示試驗兩者間的關 連性，並比對失效模式效應分析法(failure modes and effects analysis;

簡稱FMEA )及失效樹分析法(fault tree analysis; 簡稱 FTA)與零件熱

分佈試驗的結果，分析產品發生失效的主要原因，以求改善，失效分

析方法進行的步驟如圖3-2 所示。

而新產品在雛型手工樣品(prototype)階段要先進行零件表面熱分 佈試驗(thermal profiles test)，確認新產品中所有選用的零件都是可用 的。其結果如附錄二所示。 新 產 品 概 念 計 劃 (New Product Concept) 新 產 品 概 念 計 劃 (N ew Product Concept) 制 定 新 產 品 規 格

(Build Product SPE C):

制 定 產 品 功 能 規 格 (Functional SPEC) 制 定 可 靠 度 規 格　 (Reliability SPEC) 新 產 品 可 行 性 評 估 (Availability Evaluation) 制 定 新 產 品 規 格 制 定 新 產 品 規 格 (

(Build Product SPEC):Build Product SPEC ): 制 定 產 品 功 能 規 格 (Functional SPEC ) 制 定 可 靠 度 規 格 　 (Reliability SPEC) 新 產 品 可 行 性 評 估 (Availability Evaluation) 工 程 樣 品 試 產 前 可 靠 度 計 劃

(Before ES Reliability Planning)

可 靠 度 設 計 計 劃

(R E design planning):

設 定 測 試 環 境 與 條 件

(Setup Test Environm ent &

C ondition)

工 程 樣 品 試 產 前 可 靠 度 計 劃

工 程 樣 品 試 產 前 可 靠 度 計 劃 (Before ES Reliability Planning) (Before ES R eliability Planning)

可 靠 度 設 計 計 劃 (RE design planning):

設 定 測 試 環 境 與 條 件 (Setup Test Environm ent

& C ondition)

工 程 樣 品 試 產 前 可 靠 度 分 析 (Engineer Sam ple

A nalysis): 可 靠 度 評 估 (R E Evaluation) 平 均 失 效 間 隔 時 間 預 估 (M TB F Prediction) 失 效 模 式 效 應 分 析 (FM EA A nalysis)　 失 效 樹 分 析 (FTA A nalysis 圖3-2 新產品開發階段的可靠度分析與評估 ) 工 程 樣 品 試 產 前 可 靠 度 分 析 工 程 樣 品 試 產 前 可 靠 度 分 析

(Engineer Sam ple

(E ngineer Sam ple

A nalysis): A nalysis): 可 靠 度 評 估 (R E E valuation) 平 均 失 效 間 隔 時 間 預 估 (M TBF Prediction) 失 效 模 式 效 應 分 析 (FM EA A nalysis)　 失 效 樹 分 析 (FTA A nalysis 工 程 樣 品 試 產 前 零 件 選 用 建 議

(Suggestion of com ponents for Engineer Sam ple):

零 件 規 格 確 認

(Verify the C om ponents SPEC )

零 件 篩 選 試 驗

(Screen Test for C om ponents)

零 件 表 面 熱 分 佈 試 驗

(Therm al Profiles)

工 程 樣 品 試 產 前 零 件 選 用 建 議

工 程 樣 品 試 產 前 零 件 選 用 建 議 (

(Suggestion of com ponents for Suggestion of com ponents for Engineer Sam ple): Engineer Sam ple):

零 件 規 格 確 認

(V erify the Com ponents SPEC)

零 件 篩 選 試 驗

(Screen Test for C om ponents)

零 件 表 面 熱 分 佈 試 驗

(Therm al Profiles)

)

工 程 樣 品 試 產

(Engineer Sam ples; ES)

工 程 樣 品 試 產 (Engineer Sam ples; ES)

工程試產樣品 (Engineer Samples; ES) 工程試產樣品 (Engineer Samples; ES) 工程試產樣品之應力篩選試驗 (Stress Screen Test for ES):

預燒試驗 (Burn-In Test) 振動試驗(Vibration Test) 高加速壽命試驗 (HALT Test)

工程試產樣品之應力篩選試驗 (Stress Screen Test for ES):

預燒試驗(Burn-In Test) 振動試驗(Vibration Test) 高加速壽命試驗(HALT Test) 工程試產樣品功能檢驗 (ES Functional Check): 功能驗證試驗

(Verification Test for Function & SPEC) 工程試產樣品功能檢驗

(ES Functional Check):

功能驗證試驗

(Verification Test for Function & SPEC)

工程試產樣品電性應力試驗

(Electrical Screen Test & Check For ES):

電壓頻率變換試驗

(Volt-Frequency Test)

電源開關機循環試驗

(Power Cycle On/Off)

工程試產樣品電性應力試驗

(Electrical Screen Test & Check For ES): 電壓頻率變換試驗 (Volt-Frequency Test)

電源開關機循環試驗 (Power Cycle On/Off)

工程試產樣品環境應力篩選試驗

(Environment Screen Test for ES):

高低溫試驗

(Hi-Low Temperature Test)

溫濕度試驗

(Temperature-Humidity Test) 工程試產樣品環境應力篩選試驗 (Environment Screen Test for ES):

高低溫試驗 (Hi-Low Temperature Test)

溫濕度試驗

(Temperature-Humidity Test)

工程試產樣品 機械應力篩選試驗

(Mechanical Screen Test for ES):

隨機振動試驗 (Random Vibration) 落下試驗 (Drop Test) 工程試產樣品 機械應力篩選試驗 (Mechanical Screen

Test for ES): 隨機振動試驗 (Random Vibration) 落下試驗 (Drop Test) Quality DataBase Failure Improvement Plan o Check Action 試驗結果分析與能否量產判定

(Result Analysis For Customer/ Critical Verify for MP) :

顧客確認試驗

(Customer Verify Test)

工程試產樣品之平均 失效間隔時間展示試驗

(ES MTBF Demo Test)

D

試驗結果分析與能否量產判定

(Result Analysis For Customer/ Critical Verify for MP) :

顧客確認試驗 (Customer Verify Test)

工程試產樣品之平均 失效間隔時間展示試驗 (ES MTBF Demo Test)

客戶認可進入量產 Approval for MP 客戶認可進入量產 Approval for MP 圖3-3 平均失效間隔時間展示試驗前的篩選試驗 經過對WLAN AP 以上述各種方法作可靠度分析與評估之後，接 著更進一步探討與研究通訊IC 元件方面的可靠度，IC 元件的製程在 近幾年來，已邁入奈米製程(nano-meter of devices)，以達到體積小及 耗電少的方便性。因為目前許多晶圓代工廠在晶片的製造上均邁進奈 米化製程，所以一些關鍵零組件晶片也非常可能用到奈米級的晶片， 所以本研究針對使用某一特定RF 射頻晶片的 WLAN AP 產品進行加 速壽命試驗，以現階段 A 公司由日本某大電器公司所接獲的訂單， 並由A 公司進行代工生產與研發(ODM)過的 WLAN 產品為基礎，探 討其主要晶片組在奈米化之後的可靠度。目前可由產品可靠度測試報 告中，分別探討電器特性、機構特性與環境特性對產品功能特徵量 (performance)的影響。先探討每個因子(factor)對功能的影響，接著用 物 理 的 觀 點 來 解 釋 試 驗 的 結 果 ， 並 找 出 因 子 間 的 交 互 作 用 (interaction)[14]。所以需對電子零組件奈米化作深入瞭解，並作多方

面討論，例如目前行動數據通訊 WLAN 產品所容易面臨的問題就是 散熱與耗電的問題，當RF 無線晶片組散熱不良溫度過高時，會造成 效能下降與有效距離縮短。耗電量太高，雖然通訊的信號強度較好， 但是會造成電池待機時間過短的不方便。所以針對 WLAN 產品在不 同的使用時機與地點，其主要 IC 在將來被奈米化之後，則導熱性與 導電性隨之增加，工作方式與失效型態的機率分配model 型式及其參 數，也隨之不同，如此一來是否更具合適性，以及所容易面臨的可靠 度問題，如結構強度、MTBF 失效間隔時間、失效分佈機率模式，如 Chi-Squared 與指數分配參數等[15]，驗證物理與數學方面的研究結 果進行探討，是本論文研究的一些內容。所以這個研究內容屬於物 理、數學與統計學的綜合領域。 以下就本論文所涉及 WLAN AP 之可靠度定義與數學理論、平均 失效間隔時間之分析、可靠度預估、失效分析、加速壽命試驗、適合 度檢定、可靠度展示試驗及減額定設計、失效物理現象等論題敘述其 理念與方法如次:

3-1 WLAN AP可靠度定義

可靠度(Reliability)由字面上來說即為可以信賴的能力，如果就計 量值上的考量，則可以翻為可信賴度，簡單稱為信賴度或可靠度。習 慣上，如果只關心產品可以信賴的特質，則可翻譯成信賴性或可靠性。 從最簡單而通用的型式來看，可靠度是一種成功的機率，可視為 一種用機率來描述系統、裝備或產品組件品質水準的指標。所以 ASQC、ISO 8402與IEC 271等都有對可靠度下不同的定義或說法 [20]，幾乎大同小異。例如針對機械元件方面，則定義出可靠度就是 機械元件的耐受強度大於所承受應力的機率。即完成目的或任務的成

功比率或成功機率。還有定義指出，可靠度就是還有殘存可用的壽命 或時間的機率，或是從一開始，在使用環境條件下執行功能而不失效 的時間[20]。另外根據AGREE (Advisory Group on the Reliability of

Electrical Equipment)，則有一個較為明確且廣泛接受的定義如下：『可 靠度是指一產品(系統或裝備)於期望的壽命時間內與所規定的使用環 境與工作條件下，執行其預期功能而不產生失效、失效的機率』。所 以要研究產品的可靠度，首先就是要從系統面深入了解產品的特性， 再針對產品的特性進行可靠度的分析。 要完整地確定產品或系統的可靠度，應先了解產品的特性並且確 定以下四個條件，也是AGREE定義所說明可靠度要有的四項重點， 即產品規定的使用環境與工作條件，產品期望的使用時間，產品預期 達成的功能，以及產品不故障或不失效的機率。要描述可靠度，這四 個重點缺一不可。 (一)規定的使用環境與工作條件(Operating conditions)： 在產品或系統的使用過程中，都會受到內外在環境所造成應力的 影響。典型的情況如：溫度、溼度、鹽霧、振動、撞擊、壓力、拉力、 剪力、電壓、電流與輻射等因素。根據經驗顯示，每個使用環境條件 對功能上都有一定的影響。因此需要在使用前加以了解，設法消除或 減少使用環境條件對產品所造成的影響。而本研究主要是針對某日系 大廠所委託ODM設計代工生產的WLAN AP為主，所以規定的使用環 境條件是來自產品的規格書，分別為溫度:0~45℃；溼度:0~95%RH; 振 動為4.00G、 5~500Hz; AC與DC電壓為100~240V AC、 5V DC。 (二)預期達成的功能(Adequate performance)： 任何產品在使用的過程中都會要求展現其指定的功能，但是基於

可靠度的考量，必須明確訂定出產品應該發揮功能的程度，才算是成 功或滿意，所以要建立判定失效的準則(Failure criteria)，以便明確地 指出、敘述或定義「什麼是產品的成功或失敗，產品令人滿意的結果 為何」。但是產品的機能通常都會隨著時間而改變，其功能為成功或 失敗只是一線之隔。所以只能清楚描述失效模式，在可靠度方面就會 常利用不超出規格的機率值加以量化。本論文WLAN AP產品的功能 是看發射信號是否正常，以100公尺內達到58dBm為合格標準的規格。 (三)期望的使用時間(Time)： 一項產品的使用要考量到時間的因素，因為自然界中的物質容易 因時間而衰變，使用愈久愈不可靠。如一架戰鬥機飛得愈久，其作戰 後安全返航的機率就減少。因此在使用時間內，才可期望某種程度的 功能。界定可靠度時要先確定產品的期望使用時間(或任務時間)才有 意義。如果使用時間超過產品的可用壽命期(useful life period)，則可 靠度的要求就無意義。本論文WLAN AP產品的使用壽命是客戶考量 到產品保固期限所規定的，產品在功能正常之下使用之連續工作平均 時間需要達到40,000小時，也就是平均失效間隔時間MTBF的值要達 到40,000小時以上。 (四)不失效的機率(Probability)： 可靠度本身因為是個機率值，所以我們要用機率與統計的方法界 定出產品可靠度的機率函數或數值，一般可由試驗得到可靠度的數 值。將產品中抽象的可靠度用明確的機率值表示，我們將可得到一個 明確的尺度，以做為工程上比較、選擇、保證、管理與改進的參考。 本論文WLAN AP 產品的可靠度也來自客戶的要求，需要在功能正常

小時)，並有 90%的信心水準。 因為可靠度就是用來衡量產品可靠程度的指標，在不同的時間 點，量測的功能指標的參數值也會不同，所以目前的趨勢就是將可靠 度指標當成時間的函數，常用的指標有四種: (一)可靠度R(t): 因為可靠度是時間的機率函數，所以可寫成0 ≤ R(t) ≤ 1。論者為 了討論上的方便，另外定義一個不可靠度函數F(t)，由於成功與失敗 是互斥事件，所以可靠度R(t)與不可靠度F(t)兩者機率值的和為一，即 R(t)=1-F(t)，F(t)為不可靠度，也就是累積失效機率。所以根據推算， 本產品假設零件失效率為一定，當產品工作任務時間達到MTBF值為 40,000小時，可靠度R(t=MTBF)= 36.78%。 (二)失效率λ(t): 失效率就是某產品工作到某特定時間點，其瞬間的每單位時間失 效的產品個數與未失效產品個數的比率。對於失效率為常數的電子產 品，通常以平均失效率表示，其單位為次/千小時(1× 次/hr)或是 次/百萬小時(1× 次/hr)，對於高可靠度的零件則採用菲特(Fit;即 failure unit)為單位，1菲特=次/十億小時(1× 次/hr)。所以根據推 算，本產品的失效率為λ(t)=2.5× 次/小時。 3

10

− 6

10

− 9

10

− 5

10

− (三)平均壽命(MTBF & MTTF): 把所要衡量的產品概略分為可修護的系統產品與失效就更換的 元件產品兩大類。所以在可靠度的壽命指標上，可維修的產品為平均 失效間隔時間(mean time between failure; MTBF)，失效發生後就丟棄 的不可維修元件類產品為平均失效時間(mean time to failure; MTTF)。 (四)失效機率密度函數f(t):

品或裝備在規定的使用環境與工作條件下，在特定的時間內，能順利 完成預定任務的的成功機率為R(t)。上述定義， 可靠度為一個時間的 函數，將其數學式以機率的形式加以表示，則其導出為[16]： 設有

_N

個樣本組件加以測試，在時間 t 後，有 0

N

s(t)個組件仍 完好，其餘

_N

_f(t)個失效，則組件經過t 時間的可靠度 R(t)為 ) ( ) ( ) ( ) ( 0 t t t t

N

N

N

N

N

f s s s + = R(t)= 相對之下，累積失效的機率即不可靠度F(t)，其數學方程式可以表示 成: ) ( ) ( ) ( ) ( 0 t t t t

N

N

N

N

N

f s f f + = F(t) = 因為成功與失敗機率的值相加為一，所以 R(t) + F(t) = 1。 當測試由時間 t 增加至 t+Δt 時，在此時間內有 Δ 個組件發生 失效，因此f(t)為單位時間失效發生的件數佔總件數 之比率，為一

個機率密度函數(probability density function)，而(Δ /Δt) * (

1

/ ) 為單一組件單位時間失效發生的次數，因此組件失效時間之機率密度 函數(probability failure density function) f(t)為:

N

f

N

0

N

f

N

0

f(t) =

[(1/ )/(Δ

_N

/Δt)]

0

N

f

lim

0 → Δt

dt

t

dR )

(

−

t

t

R

t

t

R

t

Δ

−

Δ

+

→ Δ

)

(

)

(

lim

0

= -

=

)

(

0

R

t

N

×

) (t

N

s 而且 =

其中 F(t)為失效累積分佈函數（failure cumulative distribution function），由統計理論可得

∫

t∞

f

(

τ

)

d

τ

∫

t

d

f

0

(

τ

)

τ

R(t) = 1- F(t) = 1-

=

dt

t

dF )

(

dt t dR ( )

=>

f(t) = -

=

3-2 WLAN AP平均失效間隔時間(MTBF)

本論文WLAN AP 產品的可靠度也來自客戶的要求，需要在功能 正常與規定的使用期間下，其有 90%的信心水準 MTBF 值下限為 40,000 小時; λ(t)=2.5×

10

−5次/小時。 可靠度最常用的參數之一為產品的期望壽命(Expected Life)，而 對於可修復系統則稱為平均失效間隔時間(Mean Time Between

Failure，MTBF)，不可修復系統則稱為平均失效時間(Mean Time to Failure，MTTF)，其數學上的定義為[7]︰

dt

dt

t

dR

t

(

)

0

∫

∞ MTBF (MTTF) =

∫

0∞

tf

( dt

t

)

=

-

= - t * R(t)

+

=

- t *

R(t)

|

∫

∞ 0

R

(

t

)

dt

∫

∞ 0

R

(

t

)

dt

|

0 ∞ 0 ∞ 所謂失效率(failure rate)即是在某一時間範圍(t1~t2)或單位時間(Δt) 內，平均分配到每一單位時間的失效機率，但此一定義必須以在某 一時間點t1 開始以前尚未失效為條件。故失效率可表示如下式： [R(t1)- R(t2)] / [(t1-t2)*R(t1)] 由上式可知，失效率為一時間函數。如果將有關的時間範圍寫為 [t ,t+Δt]，則式可改寫為︰ [R(t)-R(t+Δt)] / [Δt * R(t)] = [R(t1)- R(t2)] / [(t1-t2)*R(t1)]

λ(t)瞬間失效率（instantaneous failure rate）的定義為：當計算失 效率所採用的時間間隔趨近於零時的極限值。因此，失效率函數λ(t) 可寫成： ) ( ) ( ) ( lim 0 _{t R t} t t R t R t Δ × Δ + − → Δ λ(t) =

)

(

1

t

R

( ) ) ( t R dt t dR −

)

(t

R

dt

d

)

(

)

(

t

R

t

f

= [- ] = =

失效率λ(t)如果為常數λ，則失效機率密度函數呈現指數分配 (exponential distribution)，則 MTBF 與λ(t)互為倒數，即

MTBF

1

λ(t)=λ= =>

λ

ˆ 1 = BF T M) = r T _{; T=}

∑

= r i i

t

1 BF T M ) => 2m = 2×λ×T= (2×T) / MTBF=2×r × /MTBF =χ (2r, α) 2 BF T M ) 上式中λ為失效率，

λ

) 為失效率估計值， 為 MTBF 估計 值，T 為總試驗時間，r 為總試驗時間 T 中實際失效的樣本個數，m 為為總試驗時間T 中預期平均失效的樣本個數。

3-3 WLAN AP 平均失效間隔時間預估(MTBF Prediction)

可靠度預估的目的主要是為瞭解產品在開發設計階段中，能對不 同的設計提出快速的替代方案，供設計者參考，以掌握產品的變異與 預防失效特性。 目前對於可靠度預估所使用之方法種類眾多。而一個好的預估方 法，不外乎就是能以省時省力的方式取得準確性高的預估值。而更重 要的考量，是依產品類型隨著研發設計的進展，作適當的選擇應用， 因此本研究分別列舉幾個常用的預估方法做探討。

3-3-1 類似裝備法(Similar Equipment Method)

執行可行性分析時，因尚未完成任何產品特性的規劃與設計，所 以對於其可靠度是否能滿足需求，僅能就以往類似產品可靠度的經驗 與資料，比較兩者之異同加以分析推算，據以估計新產品之可靠度。 進行類似裝備可靠度預估時，其實施程序如下[22]： （1） 確立研發產品的種類與型式、操作模式與條件、使用環境，以 及任何已知的資料。 （2） 根據以上資料，在現有產品中找出性質相近，已經發展成功產 品的使用狀況和可靠度條件。 （3）將類似裝備的這些資料與研製產品的條件加以分析比較，特別 注意其操作條件和使用環境應儘可能相近。 （4） 綜合以上結果，利用現有產品可靠度資料，評估與判斷新研發 產品的可靠度值。

3-3-2 類似複雜性法(Similar Complexity Method)

容易達到高可靠度的需求。特別是電子產品，由於所使用的主動元件 越多，發生失效的機率就越高，則可靠度就越低。 基於此道理，一些歷史悠久的公司或企業即根據他們過去的經 驗，發展出一套可靠度與產品複雜性（功能複雜性，零件數目多寡） 的圖表資料，其考慮的條件包括使用環境（如空用、地面固定、地面 運動、船用、飛彈及太空環境），以及低級、一般、高級三種品質等 級的零件。因此只要找出新產品中預定使用的主動零件數量、使用環 境及品質等級即可以查閱MIL-STD-338A 中的圖表，再粗略估計該產 品可能的可靠度水準[22]。

3-3-3 類似技術法(Similar Technology Method)

類似功能預估法的原理與類似複雜性相同，此種功能法係根據產 品顯著的功能特性與操作可靠度間的統計相關性分析，由可靠度觀點 建立最顯著功能與預期產品可靠度兩者之間迴歸方程式，作為估算產 品可靠度的依據，則此法可參照MIL- STD -338A 做探討［17］。

3-3-4 零件計數法（Part Count Method）

當產品發屬於產品初步設計時，雖然設計尚未完全成型，但是大 致上所使用之零件種類、數量、品質水準及使用環境條件等必要條件 都已初步確定，此時即可應用零件計數法來預估產品的可靠度水準。 零件計數法可參考MIL-HDBK-217F 美國海軍標準規範，其計算方程 式如下[20]: λeq = Q G i n i i

N

(

)

1

λ

π

∗

∑

= 方程式λeq為產品之總失效率、

π

Q為第i 項電子零件之品質修正係

數、λG為第i 項電子零件之一般性（Generic）失效率、Ni為與第i項 電子零件相同之零件數量、n為產品中所用電子零件之類別數。

3-3-5 零件應力分析法（Part Stress Analysis Method）

零件應力分析法適用於產品細部設計階段，於此階段時有關零件 使用的應力（負荷）及環境已經過詳細分析，運用這些細部資料所預 估出來的失效率數據理當較為精確。應力分析法所運用之失效率預估 模式如同MIL-HDBK-217F 美國海軍標準規範的方法，一般通式如下 [20]： S L Q E b P

λ

π

π

π

π

λ

=

×

×

×

×

其中 P

λ

為零件失效率， b

λ

為零件基本失效率，隨零件種類及所 受之應力而不同，

π

_E為環境係數，

π

_Q為零件之品質修正係數，

π

_L為 學習係數，係對新產品所增加之安全因子，

π

_S為第二類電性修正應 力係數。零件應力分析法所須考慮的因子較多，因此較零件計數法為 複雜。 3-3-6 Bell-core 分析法

Bell-core 可靠度預估為美國貝爾電信公司（the Bell-core Client Companies, BCCs）在選購設備時所發展出來的。可靠度就是指設備 隨著時間而功能失效的頻率，是一種定量的衡量方法，且對於保養、 維修成本及設備的持續服務等，可靠度均有關鍵影響。Bell-core 分 析法的目的就是要將零組件與系統等硬體設備的可靠度預估方法予 以文件化，但此處所指的零件，並不包括由軟體程式所造成的失效。 對於採購的電子設備，Bell-core 建議設備供應商運用以下的三

方法： 方法一、方法二與方法三用來提供電子產品的預估可靠度。而對 於此三方法的優先次序，Bell-core 要求設備供應商必須優先提供方 法一（零件計數法）的所有零組件預估可靠度，而方法二及方法三由 採購者決定。 方法一：零件計數法；假設組件失效率可用個別零件的失效率累加計 算之。 零組件穩定期失效率可以下式表示： λss = ( ) 1 SSi m i i E N

λ

π

∑

∗ = 式中m ＝組件共有m個不同型式的零件 λSS＝組件穩定期失效率 Ni ＝第i零件型式在組件中的數量 λSSi＝第i個零件的穩定期失效率 πE ＝組件環境因子 方法二：合併零件計數法與試驗室數據，以統計方法所求之零組件失 效率。 方法三：依據實際運轉所得數據，以統計方法預估運轉中（In Service） 產品的可靠度。 在可靠度預估的實務運用方面，企業界常會分別運用美軍軍規標 準及美國商業標準兩種預估方法，估算符合工業界實務應用的經驗式 合理可靠度預估值，以供顧客參考。本研究則採用Bell-core 分析法 之方法一的方式來預估產品的壽命，其結果如附錄一所示。

3-4 零件表面熱分佈試驗

高溫下工作時之零件表面溫度狀況。常進行零件表面熱分佈量測試 驗。通常都先拆解產品外殼，將熱電偶線(thermal couple)貼於各關鍵 零組件的表面，如圖3-4所示，再組上外殼，並將產品的待測樣品置 於產品所允許最高工作溫度的環境中，讓待測樣品高溫工作一段時 間，使待測物的周圍溫度達到熱平衡的狀態，以熱電偶溫度記錄器 (thermal couple recorder)量測關鍵零組件的表面溫度，並記錄每一個 量測點所量測到的溫度，再與零件規格書比較每一個被量測到的零組 件在工作時，零件表面溫度是否高於零件規格書中該零件工作時所允 許的最高溫度。若某零件的表面溫度高於零件規格書中該零件工作時 所允許的最高溫度，則表示該零件需要進行散熱或更換其他在工作時 較不容易發熱的替代零件。此外研發人員也可以根據零件表面熱分佈 量測的資料來估算各個零件的接合點溫度，其方法詳述於第三章3-9 節中。本研究之零件表面熱分佈試驗結果如附錄二。 圖3-4 零件表面熱分佈量測試驗

3-5 WLAN AP FMEA 與FTA分析

FMEA 與 FTA 是可靠度工程上兩種很有用的分析工具，其詳細 的介紹如附錄三與附錄四。本節將其手法應用在WLAN AP 的失效分 析中。 在 FTA 失效樹分析方面，除了軟體因素之外，分為電子與機構 方面，到最底層的基本事件(basic event)在電器子系統可分成主動元件 (積體電路晶片)與被動元件(如電阻與電容器)失效。在機構子系統方 面可分為金屬因素(如金屬散熱片過熱)與非金屬因素(如導光柱過熱 熔化)等。 因為WLAN產品的RF射頻晶片組一般都需要使用超外差收發機 (super-heterodyne receiver/transceiver)結構的晶片組，如圖3-5 所示， 超外差式結構優點是擁有較佳的動態範圍、靈敏度和頻率選擇性，並 且在給定的性能要求下開發周期較短、風險較小。而其缺點是元件數 量較多、並且需要昂貴的成本。因為使用零件多，所以可靠度的問題 也相對較多，而且系統工作時，會產生高頻率的電磁波轉成熱能，當 高溫加速試驗下，負責供電的線路會因為電組阻值過大而導致供電異 常，且傳輸效率亦隨溫度而變化，使系統損壞或當機。所以進行失效 分析時需要在常溫下檢測功能以確定是否為溫度過高所造成的失效。 圖3-5 Intetrsil Prism 802.11b 超外差收發機架構圖

一般的超外差收發機在接收無線信號時會形成接收機，架構如圖 3-6所示，訊號經由天線接收之後，首先經由帶通濾波器(BPF)負責抑 制頻帶外的強干擾訊號。由於WLAN 為分時多工(TDD)收發系統， 因此需要發射/接收切換開關(T/R switch)作為發射或接收時鏈路的切 換。接下來訊號經由低雜訊放大器(Low Noise Amplifier，LNA)，目 的在放大接收無線訊號並減少接收機後級電路對整體電路雜訊的影 響，以減小後級電路造成訊號雜訊比(SNR)的衰減。故LNA 的增益越 大，後級電路雜訊對訊號的影響越小，但相對的後級電路因輸入訊號 變大，線性度的要求較為嚴格，因此必須合理的分配LNA、混頻器 (mixer)與中頻放大器的增益/損耗。 對一般超外差接收機而言，LNA 與混頻器之間會加入鏡像消除 濾波器提供鏡像訊號干擾的抑制作用，如圖3-6超外差接收機所示。 不過由於電路設計時，LNA 與mixer 均以差動的方式來實現，若要 在之間加入單端的鏡像消除濾波器，則LNA 的輸出端及mixer 的輸 入端均需加入BALUN 將差動訊號轉換成單端，並且需要匹配至50 歐姆電阻。所以無法在LNA 與mixer 之間直接作適當搭配(conjugate matching)，以增加增益及減少匹配時所需元件數目，進一步地減少晶 片面積。因此在這篇論文探討時，在架構設計上稍做修改，設計了兩 顆LNA，一為單端另一個則為差動，並且將鏡像消除濾波器加在兩顆 LNA 之間。

在超外差接收機架構上，整體超外差接收機電路包含元件有： (1) CMOS RFICS(TSMC 0.25μm)：T/R switch、single-end LNA、 differential-LNA、mixer、Quadrature VCO.

(2) Passive off-chip components：RF BPF、image reject filter、BALUN、 IF374MHz SAW filter.

圖 3-6 IEEE 802.11b/g 超外差接收機架構圖

(3) Other components：frequency synthesizer(MC12210)、PLL controller(PIC).

所以WLAN AP可視為一串聯系統。當中任何一個元件損壞時都 會造成系統無法正常工作。如果將WLAN AP系統進行失效樹圖分 析，如圖3-7所示，大略可以得知，造成WLAN AP系統失效的主要原 因，可分為電子元件、機構與軟體等三方面的失效。

系統失效 機構因素 電子元件硬體因素 金屬 因素 橡膠因素 塑膠 因素 軟體因素 作業系 統 驅動程 式 被動元件損壞 (電阻, 電容或 電感損壞) 電阻 損壞 電容 損壞 電感 損壞 主動元件損壞 (RF射頻晶片 損壞) 晶片內部短 路或斷路 晶片溫度過 高損壞 內部 漏電 電流 過大 封裝 不良 環溫 過高 圖3-7 WLAN 系統失效樹分析圖

FMEA 是一項最直接而且非常成熟的可靠度分析工具，起源於 1950 年代，被廣泛應用在在產品開發、設計、製造及維修過程中的 一項預防性分析工作，其詳細說明於附錄三中。WLAN AP 之 FMEA 之執行步驟如下: Step 1 確定系統任務: WLAN AP 之主要任務為連上頭端並傳送資料 Step 2 決定系統分解層次:分解至子系統層次: WLAN AP 之子系統可分為電氣系統與機構系統 Step 3 決定機能別區塊(functional block):

WLAN AP 硬體機能 = 機構機能 + 電子迴路(PCBA)機能 Step 4 定義系統可靠性區塊: 機構機能 = 保護 PCBA + 維持 PCBA 工作時之散熱 電氣回路(PCBA)機能 = 傳輸資料 + 告知使用者目前系統狀態 Step 5 列舉出每個區塊之失效型態: 機構方面: 暫時性停機、短路、不工作、機件損壞 電氣方面: 暫時性停機、不工作、傳輸效率降低 Step 6 選出有效之失效型態: 當機、短路、不工作、機件損壞、效率降低。 Step 7 找出失效模式發生之原因:

機構方面:Cage or Housing 變型、冷焊空焊、缺漏件、過熱、PCBA 移動。

電子方面:Chip 損壞、FLASH Memory Data Loosed、Components 品 質不良

將各種失效之可能性, 嚴重性, 偵測性分三級來評估 Step 10 檢討解決問題之對策

本論文所研訂出 WLAN AP 之 FMEA 表如表 3-1 所示，由 WLAN AP 系統的失效發生的可能性、嚴重性與可偵測性三方面來探討，得 到系統受到熱應力破壞而失效是最需要優先處理的技術問題。

表3-1 WLAN AP 之 FMEA 分析表

FMEA Analysis Report:

System: WLL035 WLAN AP

Subsystem: Mechanical & Electrical Field Author: Avril / Johnson

Date: 02/05/2005 評估 No: Subsystem 失效模式 失效原因 處理 對策 優先 順序 可 能 性 嚴 重 性 可 偵 測 性 Holding Cage or Housing 變型 2 3 3 18 加強抽驗或簡化形狀 1 Mechanical

No Power Cold Solder 1 3 3 9 加強抽驗PCBA 1 3 3 9 No Power 缺漏件 Relayout or 改善製程 3 3 2 18 Holding 散熱不良 改善Housing or Heatsink 3 2 2 18

PCBA 鬆動 PCBA 不良 OQC 檢驗時搖動機身

1 1 3 3 外觀損壞 包裝不良 改善 Packing 3 3 3 Shutdown Chip 損壞 27 慎選零組件 2 Electrical Flash Data Loosed 2 3 3 18 斷訊 慎選零組件 3 2 3 18 斷訊 But Restart OK 零件不良 慎選零組件 Remark: 可能性，嚴重性與可偵測性:權重 3 代表最強，1 代表最弱。 所以根據失效模式的優先處理順序，如果 RF 射頻晶片(chip)損 壞，則造成系統的永久性失效，所以影響系統的嚴重程度也最大。

3-6 WLAN AP 加速壽命試驗

由於近年來資訊產品的生命週期愈來愈短，因此能在短時間推出 新產品的人就是贏家。在科技不斷進步的今天，產品的可靠度也隨著 顧客對品質的要求相對的被重視，然而可靠度指標水準MTBF必需由 產品的壽命試驗數據以獲取；但產品壽命試驗數據的取得，不易依正 常的使用環境條件快速地來獲得，尤其對於高壽命的產品而言。因此 欲儘速獲取產品之失效數據以推估產品的可靠度值， 一般可利用提 高對於產品所施加之環境應力值的方式進行產品的加速壽命試驗，以 期待產品在短時間內產生失效，以獲取產品壽命試驗數據，再依其失 效數據分佈情形來作分析，並推估正常環境應力下之壽命分佈狀況。 加速壽命試驗是應用較正常使用環境更嚴苛的條件， 以期待在 時間上加速產品的劣化程度，進而推定產品在正常使用狀態下的壽命 分佈狀況或其失效率。如果影響產品的劣化程度之條件單純， 便很 容易來擬定加速壽命試驗計畫。但是產品的失效模式常因承受之嚴苛 環境應力不適當，而導至失效模式不同於正常使用條件，且常因產品 的失效條件都較為複雜。若要對這些影響失效的因子均同時考慮以進 行加速壽命試驗，勢必會因失效模式的不同而使得加速性不成立，也 可能發生實用性不佳的加速壽命試驗模式。因此，為求擬定一適當的 加速壽命試驗計畫，大都可透過事先了解產品的特性， 再予以規劃， 以免加速壽命分析無法正確推估正常狀況下之失效狀況。 為了增快產品的上市推出的時機，如何在要在有限的時間內以正 常使用條件取得失效數據，而完成產品的可靠度分析，則明顯地有所 因難，所以如何在短時間內了解產品的壽命分佈及其可靠度狀況是一 重要的課題。由相關文獻中可得知，溫度是一般電子產品最好的加速 因子之一，所以溫度加速壽命試驗可達此一目的[5][22]， 但常因推

估壽命水準極高，如果在正常環境下使用，常需要好多年與大量樣本 才能得知產品壽命。加上產品壽命往往是服從機率分配的型態，存在 著某一程度的變異，所以要用正常使用的環境條件驗証所推估之壽命 的分佈結果是否正確，常面臨許多困難。故本研究動機乃利用一已知 壽命之關鍵零組件來訂定產品的約略壽命，擬定一適當的加速壽命測 試的方法，期望能在短時間內來獲取失效數據，進行分析數據並建立 適當模式以推估正常應力使用下之壽命值。並由驗証試驗與廠商所提 供 之 壽 命 值 來 相 比 對 ， 計 算 其 誤 差 值 且 判 斷 是 否 落 於 卡 方 (Chi-Squared; χ )分佈的範圍中。 2 為了能縮短所需測試的時間及花費之資源，可於短時間內評估產 品的可靠度，常對產品施加較嚴苛之應力，使產品早期發生失效[2]， 所進行之試驗稱為加速壽命試驗[22]。一般而言，加速壽命試驗考慮 的因素大多包含有3 個要素，分別為環境應力、測試時間及試驗所須 之樣本數，如何在3 種因素中各選一適當值來進行試驗並依其試驗結 果來預估產品可靠度變化情形，則是一重要之課題。 加速壽命試驗的成敗關鍵是如何掌握加速壽命試驗之加速因子 (Accelerated Factor)，該加速因子可表示為將高低應力分別施於產品 上，觀察產品失效結果與加速試驗的程度，再應用其結果去預估正常 使用應力試驗下之壽命。一般標準化的電子零件，其加速壽命參數及 可靠度模式，可由美軍軍方標準手冊 (MIL-HDBK-217F)及其相關規 範中查得。加速應力試驗分析模式主要是依照所選擇的加速應力之類 別與產品工作的模式來決定。一般對溫度敏感的電子產品，都利用熱 應力如溫度來做為產品之嚴苛負苛或環境來加速獲得失效數據，其分 析的方式則可採阿忍尼斯(Arrhenius) 模式[22]； 如為非熱應力敏感 的產品，如電壓等，則使用反乘幕法則(Inverse Power Law)模式[29]；