利用ANSYS實現DOE分析的方法
作者:史戈
1. 背景
1.1 田口正交法
田口品質設計法,是利用田口玄一博士[1]所設計的正交表,設計少量的參數組合,進行實驗,並使用S/N比表示產品品質的好壞,以求的最佳組合,而達到高良率,低成本的重要方法。
正交表[1]為一組矩陣式數字,每一行代表一個特定實驗中因素的狀態,每一列代表一個特定的因素或條件組合。主要以較少的實驗次數來獲得有用的統計資料,正交表以La(bc)命名,代表共有a組實驗,最多容納b個水平的因子c個,以L18(21×37)為例,由1個2水平的因子和7個3水平的因子所組成,需實驗18次,因此,正交表的目的在於:(1)了解控制因子(Control Factor)及干擾因子(Noise)對產品品質的影響;(2)由計算S/N比及進行變異分析(Analysis of Variance),以找出影響較大的因子,並求出最佳的參數組合。
1.2 信號噪音比(Signal to Noise Ratio)
信號噪音比(S/N)[1]是田口品質工程上重要的評估指標,可用來表示製程或產品的水平受誤差因素影響的程度。有田口博士將平均品質損失經由對數轉換、乘以10、並取負號,稱為S/N比,由於品質特性的目標不同,故計算S/N比由品質特性可分為三種特性:
(1)望小特性
S/N比越大,表示平均值越靠近0,且變異越小。即提高S/N比即可使變異變小,且平均值越靠近目標值0。
(2)望大特性
(3)望目特性
1.3 變異分析(ANOVA)
變異分析(Analysis of Variance)主要是評估實驗誤差,找出影響較大的控制因子,並利用統計分析,可輔助圖表的不足。
2. 工程實例
2.1 實例背景
例如,我們在分析封裝的熱應力時,由於封裝結構尺寸較多、材料通常比較複雜,難以每個結構以及材料都進行單因素分析,另一方面,單因素分析難以考慮到結構間、結構-材料、材料間的交互影響,因此,我們推薦利用田口正交分析,利用一定量、可控的實驗分析,對結構、材料複雜,每種因素包含水平較多的實驗,進行分析。
本例結構因素以及水平如下:
2.2 確定實驗量
如上節,如果我們將每個因素的每個水平都進行分析,我們則需要進行3e6=639組實驗,這是我們所不能接受的。
正交表的形式和計算方法在此不做詳細討論,實際使用中,我們可以通過軟體直接選擇生成正交表。
如下表為minitab軟體,可以在軟體中選擇因素和水平後,直接生成正交表。
2.3 提取ANSYS中的模擬結果
可以在ANSYS中計算得到我們關注結構的應力或位移等數值,如本例中的Bump中線路層中的第一主應力值,並記錄在下表中,並由第一章節中的公式計算得到信噪比(dB)。
2.4 利用Minitab生成結果
將上一節ANSYS得到的結果輸入至Minitab的結果欄,注意與實驗次序相一致,並於軟體內進行分析,可得到如下圖表所示的結果。
F、P值代表因素影響結果的強弱,一般P≤0.05即認為是影響較大的因素。
下圖中紅色點的含義為,當此因素的水平為紅點處的數值時,此時結構因素的組合為最優組合設計。
[1] 張家豪,陳榮盛.以田口品質工程分析QFN封裝體疲勞壽命之最探討[D].台灣:國立成功大學,2007
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