FMEA失效模式与影响分析--可靠性设计的重要方法

1、FMEA失效模式与影响分析-可靠性设计的重要方法在设计和制造产品时，通常有三道控制缺陷的防线：避免或消除故障起因、预先确定或检测故障、减少故障的影响和后果。FMEA正是帮助我们从第一道防线就将缺陷消灭在摇篮之中的有效工具。 FMEA是一种可靠性设计的重要方法。它实际上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影响分析）的组合。它对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。及时性是成功实施FMEA的最重要因素之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。为达到最佳效益，FMEA必须在故障模式被纳入产品之前进行。 FMEA实际是一组系列化的活

2、动，其过程包括：找出产品/过程中潜在的故障模式；根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险量化评估；列出故障起因/机理，寻找预防或改进措施。 由于产品故障可能与设计、制造过程、使用、承包商/供应商以及服务有关，因此FMEA又细分为设计FMEA、过程FMEA、使用FMEA和服务FMEA四类。其中设计FMEA和过程FMEA最为常用。 设计FMEA（也记为d-FMEA）应在一个设计概念形成之时或之前开始，并且在产品开发各阶段中，当设计有变化或得到其他信息时及时不断地修改，并在图样加工完成之前结束。其评价与分析的对象是最终的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。需要注意的是，d-FMEA在体

3、现设计意图的同时还应保证制造或装配能够实现设计意图。因此，虽然d-FMEA不是靠过程控制来克服设计中的缺陷，但其可以考虑制造/装配过程中技术的/客观的限制，从而为过程控制提供了良好的基础。进行d-FMEA有助于： 设计要求与设计方案的相互权衡； 制造与装配要求的最初设计； 提高在设计/开发过程中考虑潜在故障模式及其对系统和产品影响的可能性； 为制定全面、有效的设计试验计划和开发项目提供更多的信息； 建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统； 为将来分析研究现场情况、评价设计的更改以及开发更先进的设计提供参考。 过程FMEA（也记为p-FMEA）应在生产工装准备之前、在过程可行性分析阶段或之前开

4、始，而且要考虑从单个零件到总成的所有制造过程。其评价与分析的对象是所有新的部件/过程、更改过的部件/过程及应用或环境有变化的原有部件/过程。需要注意的是，虽然p-FMEA不是靠改变产品设计来克服过程缺陷，但它要考虑与计划的装配过程有关的产品设计特性参数，以便最大限度地保证产品满足用户的要求和期望。 p-FMEA一般包括下述内容： 确定与产品相关的过程潜在故障模式； 评价故障对用户的潜在影响； 确定潜在制造或装配过程的故障起因，确定减少故障发生或找出故障条件的过程控制变量； 编制潜在故障模式分级表，建立纠正措施的优选体系； 将制造或装配过程文件化。 FMEA技术的应用发展十分迅速。50年代初，美

5、国第一次将FMEA思想用于一种战斗机操作系统的设计分析，到了60年代中期，FMEA技术正式用于航天工业（Apollo计划）。1976年，美国国防部颁布了FMEA的军用标准，但仅限于设计方面。70年代末，FMEA技术开始进入汽车工业和医疗设备工业。80年代初，进入微电子工业。80年代中期，汽车工业开始应用过程FMEA确认其制造过程。到了1988年，美国联邦航空局发布咨询通报要求所有航空系统的设计及分析都必须使用FMEA。1991年，ISO-9000推荐使用FMEA提高产品和过程的设计。1994年，FMEA又成为QS-9000的认证要求。目前，FMEA已在工程实践中形成了一套科学而完整的分析方法。

6、 FMEA有三种类型，分别是系统FMEA、设计FMEA和工艺FMEA，本文中主要讨论工艺FMEA。 1)确定产品需要涉及的技术、能够出现的问题，包括下述各个方面： 需要设计的新系统、产品和工艺； 对现有设计和工艺的改进； 在新的应用中或新的环境下，对以前的设计和工艺的保留使用； 形成FMEA团队。 理想的FMEA团队应包括设计、生产、组装、质量控制、可靠性、服务、采购、测试以及供货方等所有有关方面的代表。 2)记录FMEA的序号、日期和更改内容，保持FMEA始终是一个根据实际情况变化的实时现场记录， 需要强调的是，FMEA文件必须包括创建和更新的日期。 3) 创建工艺流程图。 工艺流程图应按照

7、事件的顺序和技术流程的要求而制定，实施FMEA需要工艺流程图，一般情况下工艺流程图不要轻易变动。 4)列出所有可能的失效模式、效果和原因、以及对于每一项操作的工艺控制手段： 4.1 对于工艺流程中的每一项工艺，应确定可能发生的失效模式. 如就表面贴装工艺(SMT)而言，涉及的问题可能包括，基于工程经验的焊球控制、焊膏控制、使用的阻焊剂(soldermask)类型、元器件的焊盘图形设计等。 4.2 对于每一种失效模式，应列出一种或多种可能的失效影响， 例如，焊球可能要影响到产品长期的可靠性，因此在可能的影响方面应该注明。 4.3 对于每一种失效模式，应列出一种或多种可能的失效原因. 例如，影响焊

8、球的可能因素包括焊盘图形设计、焊膏湿度过大以及焊膏量控制等。 4.4 现有的工艺控制手段是基于目前使用的检测失效模式的方法，来避免一些根本的原因。 例如，现有的焊球工艺控制手段可能是自动光学检测(AOI)，或者对焊膏记录良好的控制过程。 5)对事件发生的频率、严重程度和检测等级进行排序： 5.1 严重程度是评估可能的失效模式对于产品的影响，10为最严重，1为没有影响； 事件发生的频率要记录特定的失效原因和机理多长时间发生一次以及发生的几率。 如果为10，则表示几乎肯定要发生，工艺能力为0.33或者ppm大于10000。 5.2 检测等级是评估所提出的工艺控制检测失效模式的几率，列为10表 示不

9、能检测，1表示已经通过目前工艺控制的缺陷检测。 5.3 计算风险优先数RPN(riskprioritynumber)。 RPN是事件发生的频率、严重程度和检测等级三者乘积，用来衡量可能的工艺缺陷，以便采取可能的预防措施 减少关键的工艺变化，使工艺更加可靠。对于工艺的矫正首先应集中在那些最受关注和风险程度最高的环节。 RPN最坏的情况是1000，最好的情况是1，确定从何处着手的最好方式是利用RPN的pareto图，筛选那些累积等级远低于80%的项目。 推荐出负责的方案以及完成日期，这些推荐方案的最终目的是降低一个或多个等级。对一些严重问题要时常考虑拯救方案，如: 一个产品的失效模式影响具有风险等

10、级9或10； 一个产品失效模式/原因事件发生以及严重程度很高； 一个产品具有很高的RPN值等等。 在所有的拯救措施确和实施后，允许有一个稳定时期，然后还应该对修订的事件发生的频率、严重程度和检测等级进行重新考虑和排序。 FMEA应用 FMEA实际上意味着是事件发生之前的行为，并非事后补救。 因此要想取得最佳的效果，应该在工艺失效模式在产品中出现之前完成。产品开发的5个阶段包括： 计划和界定、设计和开发、工艺设计、预生产、大批量生产。 作为一家主要的EMS提供商，Flextronics International已经在生产工艺计划和控制中使用了FMEA管理，在产品的早期引入FMEA管理对于生产高

11、质量的产品，记录并不断改善工艺非常关键。对于该公司多数客户，在完全确定设计和生产工艺后，产品即被转移到生产中心，这其中所使用的即是FMEA管理模式。 手持产品FMEA分析实例 在该新产品介绍(NPI)发布会举行之后，即可成立一个FMEA团队，包括生产总监、工艺工程师、产品工程师、测试工程师、质量工程师、材料采购员以及项目经理，质量工程师领导该团队。FMEA首次会议的目标是加强初始生产工艺MPI(Manufacturing Process Instruction)和测试工艺TPI(Test Process Instruction)中的质量控制点同时团队 也对产品有更深入的了解，一般首次会议期间和

12、之后的主要任务包括： 1工艺和生产工程师一步一步地介绍工艺流程图，每一步的工艺功能和要求都需要界定。 2团队一起讨论并列出所有可能的失效模式、所有可能的影响、所有可能的原因以及目前每一步的工艺控制，并对这些因素按RPN进行等级排序。例如，在屏幕印制(screen print)操作中对于错过焊膏的所有可能失效模式，现有的工艺控制是模板设计SD(Stencil Design)、定期地清洁模板、视觉检测VI(Visual Inspection)、设备预防性维护PM(Preventive Maintenance)和焊膏粘度检查。工艺工程师将目前所有的控制点包括在初始的MPI中，如模板设计研究、确定模板

13、清洁、视觉检查的频率以及焊膏控制等。 3. FMEA团队需要有针对性地按照MEA文件中的控制节点对现有的生产线进行审核，对目前的生产线的设置和其他问题进行综合考虑。如干燥盒的位置，审核小组建议该放在微间距布局设备(Fine-pitch Placementmachine)附近，以方便对湿度敏感的元器件进行处理。 4. FMEA的后续活动在完成NPI的大致结构之后，可以进行FMEA的后续会议。会议的内容包括把现有的工艺控制和NPI大致结构的质量报告进行综合考虑，FMEA团队对RPN重新进行等级排序，每一个步骤首先考虑前三个主要缺陷，确定好推荐的方案、责任和目标完成日期。 对于表面贴装工艺，首要的两

14、个缺陷是焊球缺陷和tombstone缺陷，可将下面的解决方案推荐给工艺工程师： 对于焊球缺陷，检查模板设计(stencildesign)，检查回流轮廓(reflow profile)和回流预防性维护(PM)记录； 检查屏幕印制精度以及拾取和放置(pick-and-place)机器的布局(placement)精度. 对于墓石(tombstone)缺陷，检查屏幕印制精度以及拾取和放置(pick-and-place)机器的布局(placement)精度； 检查回流方向；研究终端(termination)受污染的可能性。 工艺工程师的研究报告表明，回流温度的急速上升是焊球缺陷的主要原因，终端(term

15、ination)受污染是墓石(tombstone)缺陷的可能原因，因此为下一个设计有效性验证测试结构建立了一个设计实验(DOE)，设计实验表明一个供应商的元器件出现墓石(tombstone)缺陷的可能性较大，因此对供应商发出进一步调查的矫正要求。 5. 对于产品的设计、应用、环境材料以及生产组装工艺作出的任何更改，在相应的FMEA文件中都必须及时更新。 FMEA更新会议在产品进行批量生产之前是一项日常的活动。 批量生产阶段的FMEA管理 作为一个工艺改进的历史性文件，FMEA被转移到生产现场以准备产品的发布。 FMEA在生产阶段的主要作用是检查FMEA文件，以在大规模生产之前对每一个控制节点进行掌握，同时审查生产线的有效性，所有在NPI FMEA阶段未受质疑的项目都自然而然地保留到批量生产的现场。 拾取和放置(pick-and-place)机器精度是工艺审核之后的一个主要考虑因素，设备部门必须验证布局机器的Cp/Cpk， 同时进行培训以处理错误印制的电路板。FMEA团队需要密切监视第一次试生产，生产线的质量验证应该与此同时进行。 在试生产之后，FMEA需要举行一个会议核查现有的质量控制与试生产的质量报告，主要解决每一个环节的前面三个问题。 FMEA管理记录的是一个不断