失效模式和效果分析.docx

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失效模式和效果分析

失效模式和效果分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA）是一种用来确定潜在失效模式及其原因的分析方法。

具体来说，通过实行FMEA，可在产品设计或生产工艺真正实现之前发现产品的弱点，可在原形样机阶段或在大批量生产之前确定产品缺陷。

FMEA最早是由美国国家宇航局（NASA）形成的一套分析模式，FMEA是一种实用的解决问题的方法，可适用于许多工程领域，目前世界许多汽车生产商和电子制造服务商（EMS）都已经采用这种模式进行设计和生产过程的管理和监控。

            FMEA简介 

            　　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。

实施FMEA管理的具体步骤见图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。

            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。

            　　创建工艺流程图。

工艺流程图应按照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。

            　　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：

            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（solder 

            mask）类型、元器件的焊盘图形设计等。

            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。

            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．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。

            　　对事件发生的频率、严重程度和检测等级进行排序：

            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。

            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　示不能检测，1表示已经通过目前工艺控制的缺陷检测。

            计算风险优先数（risk priority number, 

            RPN）。

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定和实施后，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（见图2）。

            　　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（manufacturing 

            process instruction, MPI）和测试工艺（test process instruction, 

            TPI）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（stencil 

            design）、定期地清洁模板、视觉检测（visual inspection）、设备预防性维护（preventive 

            maintenance, 

            PM）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、确定模板清洁、视觉检查的频率以及焊膏控制等。

            　　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 

            placement machine）附近，以方便对湿度敏感的元器件进行处理。

            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（stencil design），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（termination） 

            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。

            　　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努力的过程和连续性的工艺改进，FMEA文件应该总是反映设计的最新状态，包括任何在生产过程开始后进行的更改。

            结语 

            　　使用FMEA管理模式在早期确定项目中的风险，可以帮助电子设备制造商提高生产能力和效率，缩短产品的面市时间。

此外通过这种模式也可使各类专家对生产工艺从各个角度进行检测，从而对生产过程进行改进。

            　　所推荐的方案应该是正确的矫正，产生的效益相当可观。

为了避免缺陷的产生，需要对工艺和设计进行更改。

使用统计学的方法对生产工艺进行研究，并不断反馈给合适的人员，确保工艺的不断改进并避免缺陷产生。

Potential Failure Mode and Effects Analysis

潜在失效模式及后果分析

何谓FMEA 

nFMEA是一组系统化的活动，其目的是：

n发现、评价产品／过程中潜在的失效及其后果。

n找到能够避免或减少这些潜在失效发生的措施。

n书面总结上述过程。

n为确保客户满意，这是对设计过程的完善。

FMEA发展历史 

n虽然许多工程技术人员早已在他们的设计或制造过程中应用了FMEA这一分析方法。

但首次正式应用FMEA技术则是在六十年代中期航天工业的一项革新。

FMEA的实施 

v由于不断追求产品质量是一个企业不可推卸的责任，所以应用FMEA技术来识别并消除潜在隐患有着举足轻重的作用。

对车辆回收的研究结果表明，全面实施FMEA能够避免许多事件的发生。

v虽然FMEA的准备工作中，每项职责都必须明确到个人，但是要完成FMEA还得依靠集体协作，必须综合每个人的智能。

例如，需要有设计、制造、装配、售后服务、质量及可靠性等各方面的专业人才。

v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必须在设计或过程失效模式被无意纳入设计产品之前进行。

v事前花时间很好地进行综合的FMEA分析，能够容易、低成本地对产品或过程进行修改，从而减轻事后修改的危机。

vFMEA能够减少或消除因修改而带来更大损失的机会。

v适当的应用FMEA是一个相互作用的过程，永无止境。

DFMEA（设计FMEA）

简介 

n设计潜在FMEA是由“设计主管工程师／小组”早期采用的一种分析技术，用来在最大范围内保证已充份的考虑到并指明各种潜在失效模式及与其相关的起因／机理。

n应评估最后的产品以及每个与之相关的系统、子系统和零部件。

nFMEA以其最严密的形式总结了设计一个零部件、子系统或系统时，一个工程师和设计组的设计思想（其中包括，根据以往的经验和教训对一些环节的分析）。

n这种系统化的方法与一个工程师在任何设计过程中正常经历的思维过程是一致的，并使之规范化、文件化。

n在设计阶段使用FMEA时，能够用以下方法降低产品的失效风险 

n有助于对设计要求的评估及对设计方案的相互权衡。

n有助于对制造和装配要求的最初设计。

n提高在设计／开发过程中已考虑潜在失效模式及其对系统和车辆运行影响的（概率）可能性。

n对制定全面、有效的设计试验计划和开发项目，提供更多的信息。

n根据潜在失效模式对“顾客”的影响，对其进行排序列表，进而建立一套改进设计和开发试验的优先控制系统。

n为推荐和跟踪降低风险的措施提供一个公开的讨论形式。

n为将来分析研究现场情况，评价设计的更改及开发更先进的设计，提供参考。

集体的努力 

v在最初的设计潜在FMEA过程中，希望负责设计的工程师们能够直接地、主动地联系所有有关部门的代表。

这些部门应包括（但不限于）：

装配、制造、材料、 质量、服务和供方，以及负责下一总成的设计部门。

vFMEA可成为促进有关部门间充分交换意见的催化剂，从而提高整个集体的工作水平。

v此外，任何（内部或外部的）供方设计项目应向有关负责设计的工程师进行咨询。

v设计FMEA是一份动态文件，应在一个设计概念最终形成之时或之前开始，而且，在产品开发各阶段中，当设计有变化或得到其它信息时，应及时，不断地修改，并最终在产品加工图样完成之前全部结束。

v考虑制造／装配的要求是相互联系的，设计FMEA在体现设计意图的同时，还应保证制造或装配能够实现设计意图。

制造或装配过程中可能发生的潜在失效模式和／或其原因／机理不需包含在设计FMEA当中，此时，它们的识别，影响及控制是由过程FMEA来解决。

n设计FMEA不是靠过程控制来克服设计中潜在的缺陷，但的确要考虑制造／装配过程中技术的／体力的限制，例如 

n必要的拔模（斜度） 

n要求的表面处理 

n装配空间／工具可接近 

n要求的钢材硬度 

n过程能力／性能 

设计FMEA的开发 

n主管设计工程师拥有许多用于设计FMEA准备工作的文件。

n设计FMEA应从列出设计希望做什幺及不希望做什幺开始，如设计意图。

顾客需求（正如由QFD之类活动所确定的一样）、车辆要求文件、已知产品的要求和制造／装配要求都应结合起来。

n期待特性的定义越明确，就越容易识别潜在的失效模式，采取纠正措施。

n设计FMEA应从所要分析的系统、子系统或零部件的框图开始。

附录A给出了一个框图的示例，这个框图也可指示出信息、能量、力、流体等的流程。

其目的在于明确对于框图的（输入），框图中完成的过程（功能），以及来自框图的（输出）。

n框图说明了分析中包括的各项目之间的主要关系，并建立了分析的逻辑顺序。

n用于FMEA的准备工作中这种框图的复制件应伴随FMEA过程。

目的 

n生产品设计开发初期, 分析产品潜在失效模式与相关产生原因提出未来分析阶段注意事项, 建立有效的质量控制计划 

定义 

n失效 :

n在规定条件下（环境、操作、时间）不能完成既定功能。

n在规定条件下, 产品参数值不能维持在规定的上下限之间。

n产品在工作范围内, 导致零组件的破裂、断裂、卡死等损坏现象。

n为了便于将潜在的失效模式及其影响后果分析成文，已设计出专用表格。

n下面介绍这种表格的具体应用，所述各项的序号都相应标在表上对应的栏目内，完成的设计FMEA表格的示例见附录B：

•FMEA编号 

n填入FMEA文件编号, 以便查询。

n系统、子系统或零部件的名称及编号

•设计责任 

n填入整车厂（OEM）部门和小组, 如果知道，还应包括供方的名称。

4）编制者 

n填入负责FMEA准备工作的工程师的姓名、电话和所在公司的名称。

•年型/车型 

n填入将使用和/或正被分析的设计所影响的预期的年型及车型（如果已知的话）。

•关键日期 

n填入FMEA初次预定完成的日期，该日期不应超过计划的生产设计发布的日期。

•FMEA日期 

n填入编制FMEA原始稿的日期及最新修订的日期。

•核心小组

n列出有权确定和/或执行任务的责任部门和个人姓名（建议所有参加人员的姓名、部门、电话、住址等都应记录在一张分发表上）。

•项目/功能

n填入被分析项目的名称和编号, 尽可能简洁地填入被分析项目的功能符号, 设计意图。

包括这个系统作业相关的信息（如:

 说明温度、压力、湿度范围）如果项目包含一个以上有不同潜在失效模式功能时, 则列出所有个别功能。

•潜在失效模式

v为零件、子系统或系统于符号设计意图过程中可能失效的种类, 也可能是较高阶子系统或系统之失效原因, 或较低阶零组件的失效效应。

v列出特别项目和功能的每一潜在失效模式。

假设失效是将发生的但不是必须发生的, 潜在失效模式或尽可能发生于某些作业条件下（如:

 热、冷、干燥、灰尘等）和某些使用条件下。

v一般的失效模式包含下列各项, 但不限于此:

 裂纹、变形、松弛、泄漏、粘结、短路、生锈氧化、断裂。

•潜在失效后果

v为被客户察觉在功能特性上失效模式的后果, 也就是:

 失效模式一旦发生时, 对系统或装备以及操作使用人员所造成的影响。

v一般在讨论失效后果时, 先检讨失效发生时对干部所产生的影响, 然后循产品的组合架构层次, 逐层分析一直到最高层级人员, 装备所可能造成的影响。

v常见的失效后果包括:

 噪音、漏气、操作费力、电动窗不作用、煞车不灵、跳动、乱档、冷却不够、车辆性能退化, 产生臭气, 外观不良等。

•严重度 （S）

n严重度是潜在失效模式发生时对下序零件、子系统、系统或顾客影响后果的严重程度（列于前一栏中）的评价指标。

n严重度仅适用于后果

n要减少失效的严重度级别数值，光能通过修改设计来实现，严重度的评估分为1到10级。

•分级

n这个字段用来区分任何对零件、子系统或系统、将要求附加于制程管制的特殊产品特性（如关键的、主要的、次要的）。

n任何项目被认为是要求的特殊过程控制, 将被以适当的特征或符号列入设计FMEA的分级字段内, 并将于建议措施字段被提出。

n每一个于设计FMEA列出的项目, 将在过程FMEA的特殊过程管制中被列出。

•潜在失效的起因/机理

•潜在失效起因是指一个设计薄弱部分的迹象，其作用结果就是失效模式。

•一般失效原因包括下列, 但不局限于此：

•错误的原物料规格。

•不适当的设计寿命假设。

•超过压力。

•润滑或加油能力不足。

•不适当的维护作业。

•缺乏环境保护。

•错误的算法。

n一般装备失效包括下列, 但不局限于此 

n生产效益率低。

n金属疲劳。

n原物料材质不稳定。

n欠流畅。

n磨损。

n腐蚀。

•频度（0）

v频度是指某一特定失效起因或机理（已列于前栏目中）出现的可能性 

v发生机会:

v为原因或装备可能发生的事。

可能发生的等级是一个值。

透过设计变更是唯一能删除或管制, 因各种原因或装备所产生的失效模式。

v潜在失效起因/机理出现频度的评估分为1到10级，在确定这个估计值时，需要考虑下列问题：

v相似零件或子系统的过去服务取得资料和相关经验?

v零件、或前一等级类似零件或子系统是否渍销?

v从前一等级的零件或子系统, 改变的程度大小?

v零件与前一等级零件, 基本上是否有差异?

v零件是否为全新的产品?

零件使用条件是否改变?

v作业环境是否改变?

v是否运用工程分析去评估, 实施执行与期望发生比率可组相提并论?

推荐的评估准则 

•现行设计控制 

n列出利用预防, 设计验证/确认或其它作业未确认对失效模式设计适当, 和/或原因/机器设备均被考虑。

常用的控制（如:

 道路试验、设计评审、运算研究、可行性审查、样件试验等）为一些已被或正在使用的相同或类似的设计。

有三种设计管制或特征：

n预防起因/机理, 或失效模式/后果的出现或降低发生比率。

n查出起因/机理, 并提出纠正措施。

n查出失效模式。

n可能的话, 最好利用第1种控制方法; 再使用第2种控制方法; 最后才使用第3种控制方法。

•不易探测度 （D）

•风险顺序数（RPN）

v风险顺序数是严重度数（S）, 频率数（0）, 不易探测数（D）等级的乘积。

RPN = （S） ×（0） ×（D）

是一项设计风险指针, RPN取值在1至1000之间。

当RPN较高时, 设计小组应提出纠正措施来降低RPN值。

一般实务上, 较不注意RPN质的结果, 通常严重度数（S）较高时, 就会特别注意。

•建议措施 

v当失效模式依RPN值排列其风险顺序时, 针对最高等级的影响和关键项目提出纠正措施, 任何建议措施的目的要清除任何的频次, 严重度和/或不易探测度的等级。

增加设计验证或确认作业的结果, 只可降低查出缺失的等级。

透过设计变更去除或控制某一或多个影响失效模式的起因/机理, 只能降低频次数的等级。

只有设计变更能降低严重度等级。

可以考虑下列的措施, 但不限于此:

v试验设计 。

v修改试验计划 。

v修改设计 。

v修改材料性能要求 。

•责任（对建议措施）

v填入建议措施的负责单位或个人, 和预定完成的日期 。

•采取的措施

v完成纠正措施后, 填入简短的执行作业或生效日期 

•纠正后的RPN

v将纠正措施实施后, 经鉴定, 评估和记录严重程度、出现频次和不易探测度数值的等级结果填入。

追踪确认 :

 设计工程师应负责确认所有的建议措施, 均已执行或有适合的对策提出。

FMEA相关文件应能反应最近的设计等级, 和最近有关的措施, 包括开始量产后发生的 。

v设计责任工程师可由下列方法确认所有建议措施已被执行 。

v确认达成设计要求。

v审查工程图面和规范 。

v组装或制造文件编汇确认 。

v审查过程FMEA和控制计划 。

PFMEA（过程FMEA）

目的

n对失效的产品进行分析, 找出零件组件之失效模式, 鉴定出它的失效原因, 研究该项失效模式对系统会产生甚么影响 。

n失效分析找出零组件或系统的潜在弱点, 提供设计、制造、品保等单位采取可行之对策 。

简介

n过程潜在FMEA是由“制造主管工程师／小组”采用的一种分析技术，用来在最大范围内保证已充分的考虑到并指明潜在失效模式及与其相关的后果起因／机理。

FMEA以其最严密的形式总结了工程师／小组进行工艺过程设计时的设计思想（包括对一些对象的分析，根据经验和过去担