FMEA失效模式與影響分析--可靠性設計的重要方法

1、FMEA失效模式與影響分析-可靠性設計的重要方法在設計和制造產(chǎn)品時，通常有三道控制缺陷的防線：避免或消除故障起因、預先確定或檢測故障、減少故障的影響和后果。FMEA正是幫助我們從第一道防線就將缺陷消滅在搖籃之中的有效工具。 FMEA是一種可靠性設計的重要方法。它實際上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影響分析）的組合。它對各種可能的風險進行評價、分析，以便在現(xiàn)有技術的基礎上消除這些風險或將這些風險減小到可接受的水平。及時性是成功實施FMEA的最重要因素之一，它是一個“事前的行為”，而不是“事后的行為”。為達到最佳效益，F(xiàn)MEA必須在故障模式被納入產(chǎn)品之前進行。 FMEA實際是一組系列化的活

2、動，其過程包括：找出產(chǎn)品/過程中潛在的故障模式；根據(jù)相應的評價體系對找出的潛在故障模式進行風險量化評估；列出故障起因/機理，尋找預防或改進措施。 由于產(chǎn)品故障可能與設計、制造過程、使用、承包商/供應商以及服務有關，因此FMEA又細分為設計FMEA、過程FMEA、使用FMEA和服務FMEA四類。其中設計FMEA和過程FMEA最為常用。 設計FMEA（也記為d-FMEA）應在一個設計概念形成之時或之前開始，并且在產(chǎn)品開發(fā)各階段中，當設計有變化或得到其他信息時及時不斷地修改，并在圖樣加工完成之前結束。其評價與分析的對象是最終的產(chǎn)品以及每個與之相關的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件。需要注意的是，d-FMEA在體

3、現(xiàn)設計意圖的同時還應保證制造或裝配能夠實現(xiàn)設計意圖。因此，雖然d-FMEA不是靠過程控制來克服設計中的缺陷，但其可以考慮制造/裝配過程中技術的/客觀的限制，從而為過程控制提供了良好的基礎。進行d-FMEA有助于： 設計要求與設計方案的相互權衡； 制造與裝配要求的最初設計； 提高在設計/開發(fā)過程中考慮潛在故障模式及其對系統(tǒng)和產(chǎn)品影響的可能性； 為制定全面、有效的設計試驗計劃和開發(fā)項目提供更多的信息； 建立一套改進設計和開發(fā)試驗的優(yōu)先控制系統(tǒng)； 為將來分析研究現(xiàn)場情況、評價設計的更改以及開發(fā)更先進的設計提供參考。 過程FMEA（也記為p-FMEA）應在生產(chǎn)工裝準備之前、在過程可行性分析階段或之前開

4、始，而且要考慮從單個零件到總成的所有制造過程。其評價與分析的對象是所有新的部件/過程、更改過的部件/過程及應用或環(huán)境有變化的原有部件/過程。需要注意的是，雖然p-FMEA不是靠改變產(chǎn)品設計來克服過程缺陷，但它要考慮與計劃的裝配過程有關的產(chǎn)品設計特性參數(shù)，以便最大限度地保證產(chǎn)品滿足用戶的要求和期望。 p-FMEA一般包括下述內(nèi)容： 確定與產(chǎn)品相關的過程潛在故障模式； 評價故障對用戶的潛在影響； 確定潛在制造或裝配過程的故障起因，確定減少故障發(fā)生或找出故障條件的過程控制變量； 編制潛在故障模式分級表，建立糾正措施的優(yōu)選體系； 將制造或裝配過程文件化。 FMEA技術的應用發(fā)展十分迅速。50年代初，美

5、國第一次將FMEA思想用于一種戰(zhàn)斗機操作系統(tǒng)的設計分析，到了60年代中期，F(xiàn)MEA技術正式用于航天工業(yè)（Apollo計劃）。1976年，美國國防部頒布了FMEA的軍用標準，但僅限于設計方面。70年代末，F(xiàn)MEA技術開始進入汽車工業(yè)和醫(yī)療設備工業(yè)。80年代初，進入微電子工業(yè)。80年代中期，汽車工業(yè)開始應用過程FMEA確認其制造過程。到了1988年，美國聯(lián)邦航空局發(fā)布咨詢通報要求所有航空系統(tǒng)的設計及分析都必須使用FMEA。1991年，ISO-9000推薦使用FMEA提高產(chǎn)品和過程的設計。1994年，F(xiàn)MEA又成為QS-9000的認證要求。目前，F(xiàn)MEA已在工程實踐中形成了一套科學而完整的分析方法。

6、 FMEA有三種類型，分別是系統(tǒng)FMEA、設計FMEA和工藝FMEA，本文中主要討論工藝FMEA。 1)確定產(chǎn)品需要涉及的技術、能夠出現(xiàn)的問題，包括下述各個方面： 需要設計的新系統(tǒng)、產(chǎn)品和工藝； 對現(xiàn)有設計和工藝的改進； 在新的應用中或新的環(huán)境下，對以前的設計和工藝的保留使用； 形成FMEA團隊。 理想的FMEA團隊應包括設計、生產(chǎn)、組裝、質量控制、可靠性、服務、采購、測試以及供貨方等所有有關方面的代表。 2)記錄FMEA的序號、日期和更改內(nèi)容，保持FMEA始終是一個根據(jù)實際情況變化的實時現(xiàn)場記錄， 需要強調的是，F(xiàn)MEA文件必須包括創(chuàng)建和更新的日期。 3) 創(chuàng)建工藝流程圖。 工藝流程圖應按照

7、事件的順序和技術流程的要求而制定，實施FMEA需要工藝流程圖，一般情況下工藝流程圖不要輕易變動。 4)列出所有可能的失效模式、效果和原因、以及對于每一項操作的工藝控制手段： 4.1 對于工藝流程中的每一項工藝，應確定可能發(fā)生的失效模式. 如就表面貼裝工藝(SMT)而言，涉及的問題可能包括，基于工程經(jīng)驗的焊球控制、焊膏控制、使用的阻焊劑(soldermask)類型、元器件的焊盤圖形設計等。 4.2 對于每一種失效模式，應列出一種或多種可能的失效影響， 例如，焊球可能要影響到產(chǎn)品長期的可靠性，因此在可能的影響方面應該注明。 4.3 對于每一種失效模式，應列出一種或多種可能的失效原因. 例如，影響焊

8、球的可能因素包括焊盤圖形設計、焊膏濕度過大以及焊膏量控制等。 4.4 現(xiàn)有的工藝控制手段是基于目前使用的檢測失效模式的方法，來避免一些根本的原因。 例如，現(xiàn)有的焊球工藝控制手段可能是自動光學檢測(AOI)，或者對焊膏記錄良好的控制過程。 5)對事件發(fā)生的頻率、嚴重程度和檢測等級進行排序： 5.1 嚴重程度是評估可能的失效模式對于產(chǎn)品的影響，10為最嚴重，1為沒有影響； 事件發(fā)生的頻率要記錄特定的失效原因和機理多長時間發(fā)生一次以及發(fā)生的幾率。 如果為10，則表示幾乎肯定要發(fā)生，工藝能力為0.33或者ppm大于10000。 5.2 檢測等級是評估所提出的工藝控制檢測失效模式的幾率，列為10表 示不

9、能檢測，1表示已經(jīng)通過目前工藝控制的缺陷檢測。 5.3 計算風險優(yōu)先數(shù)RPN(riskprioritynumber)。 RPN是事件發(fā)生的頻率、嚴重程度和檢測等級三者乘積，用來衡量可能的工藝缺陷，以便采取可能的預防措施 減少關鍵的工藝變化，使工藝更加可靠。對于工藝的矯正首先應集中在那些最受關注和風險程度最高的環(huán)節(jié)。 RPN最壞的情況是1000，最好的情況是1，確定從何處著手的最好方式是利用RPN的pareto圖，篩選那些累積等級遠低于80%的項目。 推薦出負責的方案以及完成日期，這些推薦方案的最終目的是降低一個或多個等級。對一些嚴重問題要時常考慮拯救方案，如: 一個產(chǎn)品的失效模式影響具有風險等

10、級9或10； 一個產(chǎn)品失效模式/原因事件發(fā)生以及嚴重程度很高； 一個產(chǎn)品具有很高的RPN值等等。 在所有的拯救措施確和實施后，允許有一個穩(wěn)定時期，然后還應該對修訂的事件發(fā)生的頻率、嚴重程度和檢測等級進行重新考慮和排序。 FMEA應用 FMEA實際上意味著是事件發(fā)生之前的行為，并非事后補救。 因此要想取得最佳的效果，應該在工藝失效模式在產(chǎn)品中出現(xiàn)之前完成。產(chǎn)品開發(fā)的5個階段包括： 計劃和界定、設計和開發(fā)、工藝設計、預生產(chǎn)、大批量生產(chǎn)。 作為一家主要的EMS提供商，F(xiàn)lextronics International已經(jīng)在生產(chǎn)工藝計劃和控制中使用了FMEA管理，在產(chǎn)品的早期引入FMEA管理對于生產(chǎn)高

11、質量的產(chǎn)品，記錄并不斷改善工藝非常關鍵。對于該公司多數(shù)客戶，在完全確定設計和生產(chǎn)工藝后，產(chǎn)品即被轉移到生產(chǎn)中心，這其中所使用的即是FMEA管理模式。 手持產(chǎn)品FMEA分析實例 在該新產(chǎn)品介紹(NPI)發(fā)布會舉行之后，即可成立一個FMEA團隊，包括生產(chǎn)總監(jiān)、工藝工程師、產(chǎn)品工程師、測試工程師、質量工程師、材料采購員以及項目經(jīng)理，質量工程師領導該團隊。FMEA首次會議的目標是加強初始生產(chǎn)工藝MPI(Manufacturing Process Instruction)和測試工藝TPI(Test Process Instruction)中的質量控制點同時團隊 也對產(chǎn)品有更深入的了解，一般首次會議期間和

12、之后的主要任務包括： 1工藝和生產(chǎn)工程師一步一步地介紹工藝流程圖，每一步的工藝功能和要求都需要界定。 2團隊一起討論并列出所有可能的失效模式、所有可能的影響、所有可能的原因以及目前每一步的工藝控制，并對這些因素按RPN進行等級排序。例如，在屏幕印制(screen print)操作中對于錯過焊膏的所有可能失效模式，現(xiàn)有的工藝控制是模板設計SD(Stencil Design)、定期地清潔模板、視覺檢測VI(Visual Inspection)、設備預防性維護PM(Preventive Maintenance)和焊膏粘度檢查。工藝工程師將目前所有的控制點包括在初始的MPI中，如模板設計研究、確定模板

13、清潔、視覺檢查的頻率以及焊膏控制等。 3. FMEA團隊需要有針對性地按照MEA文件中的控制節(jié)點對現(xiàn)有的生產(chǎn)線進行審核，對目前的生產(chǎn)線的設置和其他問題進行綜合考慮。如干燥盒的位置，審核小組建議該放在微間距布局設備(Fine-pitch Placementmachine)附近，以方便對濕度敏感的元器件進行處理。 4. FMEA的后續(xù)活動在完成NPI的大致結構之后，可以進行FMEA的后續(xù)會議。會議的內(nèi)容包括把現(xiàn)有的工藝控制和NPI大致結構的質量報告進行綜合考慮，F(xiàn)MEA團隊對RPN重新進行等級排序，每一個步驟首先考慮前三個主要缺陷，確定好推薦的方案、責任和目標完成日期。 對于表面貼裝工藝，首要的兩

14、個缺陷是焊球缺陷和tombstone缺陷，可將下面的解決方案推薦給工藝工程師： 對于焊球缺陷，檢查模板設計(stencildesign)，檢查回流輪廓(reflow profile)和回流預防性維護(PM)記錄； 檢查屏幕印制精度以及拾取和放置(pick-and-place)機器的布局(placement)精度. 對于墓石(tombstone)缺陷，檢查屏幕印制精度以及拾取和放置(pick-and-place)機器的布局(placement)精度； 檢查回流方向；研究終端(termination)受污染的可能性。 工藝工程師的研究報告表明，回流溫度的急速上升是焊球缺陷的主要原因，終端(term

15、ination)受污染是墓石(tombstone)缺陷的可能原因，因此為下一個設計有效性驗證測試結構建立了一個設計實驗(DOE)，設計實驗表明一個供應商的元器件出現(xiàn)墓石(tombstone)缺陷的可能性較大，因此對供應商發(fā)出進一步調查的矯正要求。 5. 對于產(chǎn)品的設計、應用、環(huán)境材料以及生產(chǎn)組裝工藝作出的任何更改，在相應的FMEA文件中都必須及時更新。 FMEA更新會議在產(chǎn)品進行批量生產(chǎn)之前是一項日常的活動。 批量生產(chǎn)階段的FMEA管理 作為一個工藝改進的歷史性文件，F(xiàn)MEA被轉移到生產(chǎn)現(xiàn)場以準備產(chǎn)品的發(fā)布。 FMEA在生產(chǎn)階段的主要作用是檢查FMEA文件，以在大規(guī)模生產(chǎn)之前對每一個控制節(jié)點進行掌握，同時審查生產(chǎn)線的有效性，所有在NPI FMEA階段未受質疑的項目都自然而然地保留到批量生產(chǎn)的現(xiàn)場。 拾取和放置(pick-and-place)機器精度是工藝審核之后的一個主要考慮因素，設備部門必須驗證布局機器的Cp/Cpk， 同時進行培訓以處理錯誤印制的電路板。FMEA團隊需要密切監(jiān)視第一次試生產(chǎn)，生產(chǎn)線的質量驗證應該與此同時進行。 在試生產(chǎn)之后，F(xiàn)MEA需要舉行一個會議核查現(xiàn)有的質量控制與試生產(chǎn)的質量報告，主要解決每一個環(huán)節(jié)的前面三個問題。 FMEA管理記錄的是一個不斷