FMEA失效模式與影響分析
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在設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品時(shí)，通常有三道控制缺陷的防線：避免或消除故障起因、預(yù)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(shè)計(jì)的重要方法。它實(shí)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⑦@些風(fēng)險(xiǎn)減小到可接受的水平。及時(shí)性是成功實(shí)施FMEA的最重要因素之一，它是一個(gè)“事前的行為”，而不是“事后的行為”。為達(dá)到最佳效益，F(xiàn)MEA必須在故障模式被納入產(chǎn)品之前進(jìn)行。
FMEA實(shí)際是一組系列化的活動，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(yīng)的評價(jià)體系對找出的潛在故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化評估；列出故障起因/機(jī)理，尋找預(yù)防或改進(jìn)措施。
由于產(chǎn)品故障可能與設(shè)計(jì)、制造過程、使用、承包商/供應(yīng)商以及服務(wù)有關(guān)，因此FMEA又細(xì)分為設(shè)計(jì)FMEA、過程FMEA、使用FMEA和服務(wù)FMEA四類。其中設(shè)計(jì)FMEA和過程FMEA最為常用。
設(shè)計(jì)FMEA（也記為d-FMEA）應(yīng)在一個(gè)設(shè)計(jì)概念形成之時(shí)或之前開始，并且在產(chǎn)品開發(fā)各階段中，當(dāng)設(shè)計(jì)有變化或得到其他信息時(shí)及時(shí)不斷地修改，并在圖樣加工完成之前結(jié)束。其評價(jià)與分析的對象是最終的產(chǎn)品以及每個(gè)與之相關(guān)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件。需要注意的是，d-FMEA在體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的同時(shí)還應(yīng)保證制造或裝配能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。因此，雖然d-FMEA不是靠過程控制來克服設(shè)計(jì)中的缺陷，但其可以考慮制造/裝配過程中技術(shù)的/客觀的限制，從而為過程控制提供了良好的基礎(chǔ)。進(jìn)行d-FMEA有助于：
· 設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)方案的相互權(quán)衡；
· 制造與裝配要求的最初設(shè)計(jì)；
· 提高在設(shè)計(jì)/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(shè)計(jì)試驗(yàn)計(jì)劃和開發(fā)項(xiàng)目提供更多的信息；
· 建立一套改進(jìn)設(shè)計(jì)和開發(fā)試驗(yàn)的優(yōu)先控制系統(tǒng)；
· 為將來分析研究現(xiàn)場情況、評價(jià)設(shè)計(jì)的更改以及開發(fā)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)提供參考。
過程FMEA（也記為p-FMEA）應(yīng)在生產(chǎn)工裝準(zhǔn)備之前、在過程可行性分析階段或之前開始，而且要考慮從單個(gè)零件到總成的所有制造過程。其評價(jià)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(yīng)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(shè)計(jì)來克服過程缺陷，但它要考慮與計(jì)劃的裝配過程有關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(guān)的過程潛在故障模式；
· 評價(jià)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(shù)的應(yīng)用發(fā)展十分迅速。50年代初，美國第一次將FMEA思想用于一種戰(zhàn)斗機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，到了60年代中期，F(xiàn)MEA技術(shù)正式用于航天工業(yè)（Apollo計(jì)劃）。1976年，美國國防部頒布了FMEA的軍用標(biāo)準(zhǔn)，但僅限于設(shè)計(jì)方面。70年代末，F(xiàn)MEA技術(shù)開始進(jìn)入汽車工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備工業(yè)。80年代初，進(jìn)入微電子工業(yè)。80年代中期，汽車工業(yè)開始應(yīng)用過程FMEA確認(rèn)其制造過程。到了1988年，美國聯(lián)邦航空局發(fā)布咨詢通報(bào)要求所有航空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。1994年，F(xiàn)MEA又成為QS-9000的認(rèn)證要求。目前，F(xiàn)MEA已在工程實(shí)踐中形成了一套科學(xué)而完整的分析方法。
FMEA有三種類型，分別是系統(tǒng)FMEA、設(shè)計(jì)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(shù)、能夠出現(xiàn)的問題，包括下述各個(gè)方面：
需要設(shè)計(jì)的新系統(tǒng)、產(chǎn)品和工藝；
對現(xiàn)有設(shè)計(jì)和工藝的改進(jìn)；
在新的應(yīng)用中或新的環(huán)境下，對以前的設(shè)計(jì)和工藝的保留使用；
形成FMEA團(tuán)隊(duì)。
理想的FMEA團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組裝、質(zhì)量控制、可靠性、服務(wù)、采購、測試以及供貨方等所有有關(guān)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(gè)根據(jù)實(shí)際情況變化的實(shí)時(shí)現(xiàn)場記錄，
需要強(qiáng)調(diào)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(yīng)按照事件的順序和技術(shù)流程的要求而制定，實(shí)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(xiàng)操作的工藝控制手段：
4.1 對于工藝流程中的每一項(xiàng)工藝，應(yīng)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(yàn)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(shè)計(jì)等。
4.2 對于每一種失效模式，應(yīng)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(yīng)該注明。
4.3 對于每一種失效模式，應(yīng)列出一種或多種可能的失效原因.
例如，影響焊球的可能因素包括焊盤圖形設(shè)計(jì)、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(xué)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(yán)重程度和檢測等級進(jìn)行排序：
5.1 嚴(yán)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(yán)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(jī)理多長時(shí)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(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN(riskprioritynumber)。
RPN是事件發(fā)生的頻率、嚴(yán)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(yù)防措施 減少關(guān)鍵的工藝變化，使工藝更加可靠。對于工藝的矯正首先應(yīng)集中在那些最受關(guān)注和風(fēng)險(xiǎn)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(yuǎn)低于80%的項(xiàng)目。
推薦出負(fù)責(zé)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(gè)或多個(gè)等級。對一些嚴(yán)重問題要時(shí)常考慮拯救方案，如:
一個(gè)產(chǎn)品的失效模式影響具有風(fēng)險(xiǎn)等級9或10；
一個(gè)產(chǎn)品失效模式/原因事件發(fā)生以及嚴(yán)重程度很高；
一個(gè)產(chǎn)品具有很高的RPN值等等。
在所有的拯救措施確和實(shí)施后，允許有一個(gè)穩(wěn)定時(shí)期，然后還應(yīng)該對修訂的事件發(fā)生的頻率、嚴(yán)重程度和檢測等級進(jìn)行重新考慮和排序。
FMEA應(yīng)用
FMEA實(shí)際上意味著是事件發(fā)生之前的行為，并非事后補(bǔ)救。
因此要想取得最佳的效果，應(yīng)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(gè)階段包括：
計(jì)劃和界定、設(shè)計(jì)和開發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、預(yù)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(jì)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)高質(zhì)量的產(chǎn)品，記錄并不斷改善工藝非常關(guān)鍵。對于該公司多數(shù)客戶，在完全確定設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝后，產(chǎn)品即被轉(zhuǎn)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(shí)例
在該新產(chǎn)品介紹(NPI)發(fā)布會舉行之后，即可成立一個(gè)FMEA團(tuán)隊(duì)，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(zhì)量工程師、材料采購員以及項(xiàng)目經(jīng)理，質(zhì)量工程師領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)。FMEA首次會議的目標(biāo)是加強(qiáng)初始生產(chǎn)工藝MPI(Manufacturing Process Instruction)和測試工藝TPI(Test Process Instruction)中的質(zhì)量控制點(diǎn)同時(shí)團(tuán)隊(duì)
也對產(chǎn)品有更深入的了解，一般首次會議期間和之后的主要任務(wù)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(tuán)隊(duì)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(jìn)行等級排序。例如，在屏幕印制(screen print)操作中對于錯(cuò)過焊膏的所有可能失效模式，現(xiàn)有的工藝控制是模板設(shè)計(jì)SD(Stencil Design)、定期地清潔模板、視覺檢測VI(Visual Inspection)、設(shè)備預(yù)防性維護(hù)PM(Preventive Maintenance)和焊膏粘度檢查。工藝工程師將目前所有的控制點(diǎn)包括在初始的MPI中，如模板設(shè)計(jì)研究、確定模板清潔、視覺檢查的頻率以及焊膏控制等。
3. FMEA團(tuán)隊(duì)需要有針對性地按照MEA文件中的控制節(jié)點(diǎn)對現(xiàn)有的生產(chǎn)線進(jìn)行審核，對目前的生產(chǎn)線的設(shè)置和其他問題進(jìn)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(shè)備(Fine-pitch Placementmachine)附近，以方便對濕度敏感的元器件進(jìn)行處理。
4. FMEA的后續(xù)活動在完成NPI的大致結(jié)構(gòu)之后，可以進(jìn)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(jié)構(gòu)的質(zhì)量報(bào)告進(jìn)行綜合考慮，F(xiàn)MEA團(tuán)隊(duì)對RPN重新進(jìn)行等級排序，每一個(gè)步驟首先考慮前三個(gè)主要缺陷，確定好推薦的方案、責(zé)任和目標(biāo)完成日期。
對于表面貼裝工藝，首要的兩個(gè)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(shè)計(jì)(stencildesign)，檢查回流輪廓(reflow profile)和回流預(yù)防性維護(hù)(PM)記錄；
檢查屏幕印制精度以及拾取和放置(pick-and-place)機(jī)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(jī)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(bào)告表明，回流溫度的急速上升是焊球缺陷的主要原因，終端(termination)受污染是墓石(tombstone)缺陷的可能原因，因此為下一個(gè)設(shè)計(jì)有效性驗(yàn)證測試結(jié)構(gòu)建立了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(DOE)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表明一個(gè)供應(yīng)商的元器件出現(xiàn)墓石(tombstone)缺陷的可能性較大，因此對供應(yīng)商發(fā)出進(jìn)一步調(diào)查的矯正要求。
5. 對于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、應(yīng)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(yīng)的FMEA文件中都必須及時(shí)更新。
FMEA更新會議在產(chǎn)品進(jìn)行批量生產(chǎn)之前是一項(xiàng)日常的活動。
批量生產(chǎn)階段的FMEA管理
作為一個(gè)工藝改進(jìn)的歷史性文件，F(xiàn)MEA被轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)現(xiàn)場以準(zhǔn)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(gè)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掌握，同時(shí)審查生產(chǎn)線的有效性，所有在NPI FMEA階段未受質(zhì)疑的項(xiàng)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(jī)器精度是工藝審核之后的一個(gè)主要考慮因素，設(shè)備部門必須驗(yàn)證布局機(jī)器的Cp/Cpk， 同時(shí)進(jìn)行培訓(xùn)以處理錯(cuò)誤印制的電路板。FMEA團(tuán)隊(duì)需要密切監(jiān)視第一次試生產(chǎn)，生產(chǎn)線的質(zhì)量驗(yàn)證應(yīng)該與此同時(shí)進(jìn)行。
在試生產(chǎn)之后，F(xiàn)MEA需要舉行一個(gè)會議核查現(xiàn)有的質(zhì)量控制與試生產(chǎn)的質(zhì)量報(bào)告，主要解決每一個(gè)環(huán)節(jié)的前面三個(gè)問題。
FMEA管理記錄的是一個(gè)不斷努力的過程和連續(xù)性的工藝改進(jìn)，F(xiàn)MEA文件應(yīng)該總是反映設(shè)計(jì)的最新狀態(tài)，包括任何在生產(chǎn)過程開始后進(jìn)行的更改。
結(jié)語
使用FMEA管理模式在早期確定項(xiàng)目中的風(fēng)險(xiǎn)，可以幫助電子設(shè)備制造商提高生產(chǎn)能力和效率，縮短產(chǎn)品的面市時(shí)間。
此外通過這種模式也可使各類專家對生產(chǎn)工藝從各個(gè)角度進(jìn)行檢測，從而對生產(chǎn)過程進(jìn)行改進(jìn)。
所推薦的方案應(yīng)該是正確的矯正，產(chǎn)生的效益相當(dāng)可觀。為了避免缺陷的產(chǎn)生，需要對工藝和設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。使用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，并不斷反饋給合適的人員，確保工藝的不斷改進(jìn)并避免缺陷產(chǎn)生。