之前出外培训的工程技术分析手段之一的FMEA(供各位参考)[推荐]

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

 

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