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FMEA资料

FMEA简介
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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FMEA Analysis Guidelines FMEA分析指导方针

  1. Objective目的

In order to assure high and consistent quality to components supplied for Nokia Mobile Phones it is essential that all potential failures and risks of the component manufacturing process are located at the earliest possible stage and that actions to remove them are taken. It can be done using Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) or other equal risk identification and analysis system.
为保证部品供应商为NOKIA提供高品质的部品,应在尽可能早的时期发现部品制造过程中的所有潜在失效和风险,并采取纠正措施。以上要求可通过“失效模式和影响分析(FMEA)”或其他等同的风险识别和分析系统实现。

FMEA is an analytical technique to assure that, to the extent possible, potential failure modes and their causes / mechanisms are properly considered and addressed.
FMEA是一种最大程度地分析和识别潜在失效模式及其原因/机制的分析技术。

More detailed information is available e.g. in FMEA, AIAG 1995.

  1. Scope范围

The supplier shall perform and record risk analysis of its key component manufacturing processes as defined and requested by the corresponding Nokia Mobile Phones Product Program.
供应商应按相应NOKIA产品计划的要求对其关键产品的制造过程进行风险分析并予以记录。

A FMEA analysis can be made using a template described in this document.
可以使用本文档提供的模板进行FMEA分析。

  1. Process FMEA过程FMEA(P-FMEA)

Process FMEA is used to examine manufacturing and assembly processes. The analysis is focused on failure modes caused by deficiencies during a process or assembly.
A process FMEA can be described as a systematically organized set of activities intended to
· recognize the failure potential of a product/process and assess its effects
· develop a ranking list of potential failure modes, thus establishing a system for prioritizing corrective actions and improvements
· identify actions that might eliminate or minimize the risk for failure
· record the results of the process.

过程FMEA用于审查制造和装配的过程。其分析重点在于制造或装配过程中的某些不足造成的失效模式。
过程FMEA可视为系统组织活动以:
· 识别产品/过程的潜在失效并评价其影响
· 制定潜在失效模式分级表,以建立决定纠正和改进措施优先顺序的体系
· 确定消除或最小化失效风险的措施
· 记录以上过程的结果

3.1 Process description / purpose 过程描述 / 目标

Simple description of the analysed process or operation, as:
· molding, welding, assembly, testing, packing etc.

简要描述所分析的过程或操作,例如:
· 铸模、焊接、装配、测试、包装等。

3.2 Potential failure mode潜在失效模式

The manner in which the process might fail to meet the product / process requirements or design intent. This is a description of a specific operation non-conformance, such as
· bent, burred, cracked, deformed, short circuited, dirty, handling damage, improper set-up, tool worn, misoriented, missing etc.

使过程无法达到产品/过程要求或设计要求的方式。应明确描述不符合的操作,例如:
· 弯曲、毛刺、破裂、变形、短路、污损、危险操作、设置不当、工具磨损、错误定位、欠品等。

3.3 Potential effect(s) of failure潜在失效影响

The effects of the failure mode on the customer(s). Description of the effects of the failure in terms of what the customer might notice or experience, as
· noise, inoperative, poor performance, rough, can not mount, does not fit etc.

指失效模式对用户的影响。应将失效的影响描述为用户可能发现的现象,例如:
· 噪音、无作用、性能低下、粗糙、无法安装、不合适等。

3.4 Potential cause(s) of failure潜在失效原因

Description of the way in which a failure might occur, in terms of something that can be corrected or controlled. Only specific errors or malfunctions should be listed, as
· improper heat treatment, part missing or mislocated, improper torque, inadequate control procedure, misuse, human error, improper operating instruction etc.

将失效可能产生的方式描述为能够纠正或控制的项目。仅需列出明确的错误或故障,例如:
· 热处理不正确、欠品或装错、力矩不正确、控制程序不充分、用错、人为错误、作业指导错误等。

3.5 Current controls当前控制

Description of the existing or planned controls that, to the extent possible, either preventing the failure mode from occurring or, should it occur, identify it.
The focus must be on the effectiveness of the method used to identify the failure before the product is delivered to the customer. The control method may involve
· examination of safety margins (e.g. process capability studies), statistical process control, post-process evaluation etc.

尽可能将现有的或计划实施的防止失效发生,或者一旦发生失效能识别出来的控制措施。
控制措施应将重点放在:在产品发送到用户之前有效地识别出失效。控制措施包括:
· 检查安全系数(例如过程能力研究)、统计管理控制、岗位过程评价等。

3.6 Risk analysis风险分析

· 1. Severity (Sev.): Assessment of the effect of the potential failure mode on customer.
· 2. Occurrence (Occ.): Projected frequency at which the c failure cause / mechanism will occur.
· 3. Detection (Det.): Probability that the failure mode will be detected by the proposed process controls before the component leaves the manufacturing or assembly site.

· 1. 严重程度 (Sev.): 以用户的角度评价潜在失效模式影响。
· 2. 发生频度 (Occ.): 失效原因 / 机制发生的预计频度。
· 3. 可察觉性 (Det.): 在部品离开制造或装配场所前,相应过程控制措施能够发现失效的概率。

Each element is ranked in scale 1..10 according to the guidelines on following pages.
每个要素按下页分析方针的要求分为1 ~ 10级。

Risk priority number (RPN):风险度指数

RPN = (Sev.) X (Occ.) X (Det.) £ 1 000.

In case of high RPN the supplier must attempt to reduce the calculated risks through corrective actions. In general, regardless of the resultant RPN, special attention should be paid to high Severity.
如果RPN值较高,则供应商应设法采取纠正措施降低风险。一般而言,不管计算出来的RPN值如何,如果SEV值较高时,应特别加以注意。


PROCESS FAILURE MODE AND EFFECT ANALYSIS

Suggested Evaluation Criteria for Severity (S)
P-FMEA严重程度(S)推荐评价标准

Rank级别 Probability of Failure失效概率
1 Minor: Unreasonable to expect that the minor nature of this failure would cause any real effect on the product and/or service. Customer will probably not even notice the failure.轻微:这种轻微失效不会对产品和/或服务产生任何实际的影响。用户甚至不会注意到。
2-3 Low: Low severity ranking due to nature of failure causing only a slight customer annoyance. Customer probably will notice a slight deterioration of the product and/or service, a slight inconvenience in the next process, or minor rework action.低:这种程度的失效仅会给用户带来轻微的麻烦。用户可能发现产品和/或服务有轻微的劣化、或给后道工序带来轻微的不便、或需要采取轻微的返工措施。
4-6 Moderate: Moderate ranking because failure causes some dissatisfaction. Customer is made uncomfortable or is annoyed by the failure. May cause the use of unscheduled repairs and/or damage of equipment.中等:中等程度的失效会引起用户的不满。可能导致不定期的修理和/或设备损坏。
7-8 High: High degree of customer dissatisfaction due to the nature of the failure such as an inoperable product or inoperative convenience. Does not involve safety issues or government regulations. May cause disruptions to subsequent processes and/or services.高:这种失效(诸如不工作的产品或无用的设施等)会引起用户高度的不满。但没有造成制品安全问题或违反政府有关法规。可能导致后道工序和/或服务的中断。
9-10 Very high: Very high severity applies when the failure affects safety and involves non-compliance with government regulations.非常高:适用于造成制品安全问题或违反政府有关法规的情况。

If the numerical value falls between two numbers always select the higher number.
如果评价值介于两个数字之间,必需取较大的数值。

If the team has a disagreement about ranking value, the following may help.
如果评价小组对结果产生争议,请参照以下内容:

1. If the disagreement remains within adjacent categories, average out the difference. For example, if one member says 2 and someone else says 6, the ranking should be 4.
如果争议内容属于相邻级别,可取其平均值。例如,某一成员认为是2,另一成员认为是6,则可取其平均值4。

2. If the disagreement jumps one category, then consensus must be reached. Even with one person holding out, total consensus must be reached. No average, no majority. Everyone in that team must have ownership of the ranking. They may not agree 100 %, but they can live with it.
如果争议内容相差1个级别以上,则必需达成一致共识(哪怕只有一人持不同意见)。不取平均值,不取多数人意见。评价小组的每一位成员都拥有评价的权力。他们可能并不100%赞同,但他们应认同这一点。


PROCESS FAILURE MODE AND EFFECT ANALYSIS

Suggested Evaluation Criteria for Occurrence (O)
P-FMEA发生频度(O)推荐评价标准

Rank级别 Probability of Failure失效概率 Possible Failure Rates失效率 cpk
1 Remote: Failure is unlikely. No failures have ever been associated with almost identical processes.轻微:不太可能产生失效。在几乎相同的工序中未产生失效。 < 1 in 1 500 000 &sup3; 1.67
2 Very Low: Only isolated failures associated with almost identical processes.很低:在几乎相同的工序可能产生孤立的失效。 1 in 150 000 &sup3; 1.50
3 Low: Isolated failures associated with similar processes.低:相似工序中产生孤立的失效。 1 in 15 000 &sup3; 1.33
4-6 Moderate: Generally associated with processes similar to previous processes which have experienced occasional failures, but not in major proportions.中等:与产生过偶发失效的前道工序相似的工序中伴随出现。 1 in1 in1 in 2 00040080 &sup3; 1.17&sup3; 1.00&sup3; 0.83
7-8 High: Generally associated with processes similar to previous processes that have often failed.高:与经常产生失效的前道工序相似的工序中伴随出现。 1 in1 in 208 &sup3; 0.67&sup3; 0.51
9-10 Very high: Failure is almost inevitable.非常高:几乎不可避免的失效。 1 in> 1 in 32 &sup3; 0.33< 0.33

If the numerical value falls between two numbers always select the higher number.

If the team has a disagreement in the ranking value the following may help.

1. If the disagreement is an adjacent category, average out the difference. For example, if one member says 2 and someone else says 6, the ranking in this case should be 4.

2. If the disagreement jumps one category, then consensus must be reached. Even with one person holding out, total consensus must be reached. No average, no majority. Everyone in that team must have ownership of the ranking. They may not agree 100 %, but they can live with it.

(同上页附注)


PROCESS FAILURE MODE AND EFFECT ANALYSIS

Suggested Evaluation Criteria for Detection (D)
P-FMEA可察觉性(D)推荐评价标准

Rank级别 Probability of Failure失效概率 Detection Reliability检测可靠性
1-2 Very High: Control almost certainly will detect the existence of a defect.非常高:控制措施几乎能确保发现失效的存在。 &sup3; 99.99 %
3-5 High: Controls have a good chance of detecting the existence of a failure.高:控制措施发现失效的机率较大。 &sup3; 99.80 %
6-8 Moderate: Controls may detect the existence of a defect.中等:控制措施有可能发现失效的存在。 &sup3; 98.00 %
9 Low: Controls more likely will not detect the existence of a defect.低:控制措施有可能无法发现失效的存在。 &sup3; 90.00 %
10 Very Low: Controls very likely will not detect the existence of a defect.很低:控制措施基本上无法发现失效的存在。 &pound; 90.00 %

If the numerical value falls between two numbers always select the higher number.

If the team has a disagreement in the ranking value the following may help.

1. If the disagreement remains within adjacent categories, average out the difference. For example, if one member says 2 and someone else says 6, the ranking should be 4.

2. If the disagreement jumps one category, then consensus must be reached. Even with one person holding out, total consensus must be reached. No average, no majority. Everyone in that team must have ownership of the ranking. They may not agree 100 %, but they can live with it.

(同上页附注)

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