宋建遠(yuǎn)（深圳崇達(dá)多層線(xiàn)路板有限公司，廣東 深圳 518132）

基于FMEA理論的PCB實(shí)驗(yàn)室儀器管理

宋建遠(yuǎn)
（深圳崇達(dá)多層線(xiàn)路板有限公司，廣東 深圳 518132）

故障模式與失效分析是一種防患未然的可靠性管理技術(shù)，是生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)事前預(yù)防的分析手段。實(shí)驗(yàn)室儀器管理導(dǎo)入故障模式與失效分析方法，實(shí)現(xiàn)降低儀器維護(hù)使用成本、縮短故障停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)儀器使用壽命、提高生產(chǎn)效率等預(yù)定目標(biāo)。

故障模式與失效分析；儀器維護(hù)；故障停機(jī)；儀器使用壽命

1 研究背景

隨著電子產(chǎn)品的不斷升級(jí)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性的要求日趨提高，倒逼PCB制造企業(yè)不斷地投入研究，提升生產(chǎn)能力和產(chǎn)品可靠性。PCB企業(yè)不是慣性思維所定義的勞動(dòng)力密集型制造類(lèi)企業(yè)，已經(jīng)向技術(shù)密集型的高科技服務(wù)企業(yè)過(guò)渡。以筆者所在企業(yè)愿景的改變?yōu)槔?，早期愿景“成長(zhǎng)為世界一流的線(xiàn)路板制造企業(yè)”，現(xiàn)今被“成長(zhǎng)為世界一流的線(xiàn)路板服務(wù)企業(yè)”所代替。高科技服務(wù)企業(yè)，在今天意味著高價(jià)值的精密儀器設(shè)備投入打造高品質(zhì)高可靠性的產(chǎn)品與服務(wù)。

近年來(lái)，PCB服務(wù)企業(yè)配套儀器設(shè)備也越來(lái)越精密和昂貴。所以，PCB實(shí)驗(yàn)室儀器管理的重要性也凸顯出來(lái)，科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室儀器管理可以延長(zhǎng)儀器設(shè)備使用壽命、避免無(wú)計(jì)劃性停機(jī)對(duì)企業(yè)造成的影響；有利于實(shí)現(xiàn)高效利用儀器產(chǎn)能，服務(wù)更多的產(chǎn)品檢測(cè)來(lái)回收儀器投入。

基于FMEA理論的PCB實(shí)驗(yàn)室儀器管理，就是借助故障模式和失效分析的可靠性分析方法，找出實(shí)驗(yàn)室儀器管理中常見(jiàn)問(wèn)題，消除盲點(diǎn)和弊端，有效提升儀器設(shè)備的可靠性和維護(hù)效益。

2 FMEA理論

2.1 導(dǎo)入FMEA的意義

FMEA全稱(chēng)“Failure Mode and Effect Analysis”,其字面直譯為“故障模式與失效分析”，而真正理解了它的實(shí)質(zhì)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)它前面省略了“Potential”一詞，恢復(fù)后翻譯為“潛在的故障模式與失效分析”。加上“Potential”一詞，F(xiàn)MEA理論才顯得更具預(yù)防功效。

FMEA是在生產(chǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中一項(xiàng)事前預(yù)防分析工作，注重“故障前”的預(yù)防改善措施。工程人員根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)和過(guò)去曾發(fā)生的問(wèn)題，從設(shè)計(jì)策劃階段開(kāi)始，列出并評(píng)價(jià)系統(tǒng)內(nèi)潛在的故障模式，以及可能造成的后果，使在進(jìn)行設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、組裝、制造等作業(yè)時(shí)得以改進(jìn)，并通過(guò)各階段中不斷的預(yù)估、驗(yàn)證及改進(jìn)，使產(chǎn)品、生產(chǎn)過(guò)程與系統(tǒng)朝向最佳狀態(tài)。

2.2 FMEA分析對(duì)象

FMEA理論適用于任何產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、品質(zhì)管理等任何執(zhí)行階段。通常對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、失效率較高的產(chǎn)品或生產(chǎn)過(guò)程、安全性需求較高的生產(chǎn)過(guò)程等對(duì)象實(shí)施故障模式與影響分析，帶來(lái)的改善效益尤為明顯。

2.3 FMEA特征參數(shù)

嚴(yán)重度（S）、發(fā)生率（O）、難檢度（D）和風(fēng)險(xiǎn)順數(shù)（RPN）是應(yīng)用FMEA理論時(shí)所使用的幾個(gè)重要的參數(shù)，下面分別予以介紹：

2.3.1 嚴(yán)重度（Severity，記為 S）

嚴(yán)重度是指某種潛在失效模式發(fā)生時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及顧客產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，取值范圍在 1～10 之間（嚴(yán)重度低至高）。

2.3.2 發(fā)生度（Occurrence，記為 O）

發(fā)生率是指某項(xiàng)潛在失效模式發(fā)生的可能性，發(fā)生的概率越高，其發(fā)生率是越大，發(fā)生率的取值范圍在 1～10 之間(發(fā)生率低至高)。

2.3.3 難檢度（Detection，記為 D）

難檢度是指當(dāng)某項(xiàng)潛在失效發(fā)生時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的控制手段及檢測(cè)方法，能將其準(zhǔn)確檢出的概率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，取值 1～10 之間(難檢度低至高)。

2.3.4 風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（Risk Priority Number，記為 RPN）

風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（RPN）是嚴(yán)重度（S）、發(fā)生率（O）和難檢度（D）的乘積，公式表示如下：

RPN = S*O*D

RPN取值在 1 至 1000 之間。風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)是某項(xiàng)潛在失效模式發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)性及其危害的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，PRN 值高的項(xiàng)目應(yīng)作為預(yù)防控制的重點(diǎn)。

2.4 FMEA實(shí)施步驟

故障模式與失效分析理論無(wú)論是在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程，還是在生產(chǎn)流程，其實(shí)施步驟基本上都是大同小異。流程如下：

成立FMEA小組→實(shí)施FMEA→定義系統(tǒng)流程FMEA→確認(rèn)系統(tǒng)任務(wù)→決定分析水準(zhǔn)→繪制系統(tǒng)機(jī)能可靠性關(guān)聯(lián)圖→分析子系統(tǒng)故障模式→評(píng)估故障模式影響→分析故障模式原因→FMEA現(xiàn)況評(píng)估→提出管控措施→實(shí)施管控措施評(píng)估→輸出FMEA綜合報(bào)告

3 PCB實(shí)驗(yàn)室儀器管理

3.1 儀器管理的內(nèi)容

PCB實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備隨著當(dāng)代電子技術(shù)進(jìn)步以及產(chǎn)品檢測(cè)的需求，也不斷向高精尖發(fā)展。走訪(fǎng)PCB企業(yè)實(shí)驗(yàn)室，會(huì)清晰感受到通常在高等院校、科研院所見(jiàn)到的高精尖儀器設(shè)備，也慢慢出現(xiàn)在PCB企業(yè)實(shí)驗(yàn)室，如掃描電鏡、3D顯微鏡等設(shè)備。然而先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備具有更復(fù)雜、更強(qiáng)的系統(tǒng)特征，實(shí)驗(yàn)室儀器管理水平的提升迫在眉睫。

實(shí)驗(yàn)室儀器管理涵蓋的內(nèi)容包括：儀器引進(jìn)、保養(yǎng)、建檔、作業(yè)指示、人員能力培訓(xùn)、故障處理、停機(jī)損失核算、設(shè)備折舊、投資效率等內(nèi)容。從PCB企業(yè)自身運(yùn)作流程對(duì)實(shí)驗(yàn)室職能需要?jiǎng)澐?，可以提煉分為兩大?lèi)：第一，儀器維持管理，其管理目標(biāo)是以盡可能少的費(fèi)用維持儀器的正常運(yùn)行，包括精度維持、性能維持、效率維持和對(duì)故障的防止和恢復(fù)；第二，儀器的改善管理，其管理目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)室只能單位具備自我提升優(yōu)化能力，包括滿(mǎn)足客戶(hù)的需求、改善儀器的精度、提升儀器的性能和效率等。

3.2 儀器管理的必要性

長(zhǎng)期困擾PCB企業(yè)實(shí)驗(yàn)室的煩惱有：精密儀器突然故障導(dǎo)致檢測(cè)無(wú)法繼續(xù)，使得出貨難以保證，影響產(chǎn)品交期，更頭疼的是，由于儀器比較先進(jìn)，廠(chǎng)內(nèi)設(shè)備部無(wú)法自行排除故障；儀器由于使用頻次較高導(dǎo)致精度降低、性能劣化，直到不合格產(chǎn)品出至客戶(hù)，導(dǎo)致投訴、索賠；特殊儀器設(shè)備對(duì)場(chǎng)地、環(huán)境有嚴(yán)格要求，PCB實(shí)驗(yàn)室需要做相應(yīng)改造，帶來(lái)諸多成本。

通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室管理中成功導(dǎo)入故障模式與失效分析理論，健全儀器設(shè)備的管理體制，提高技能水平，可有效地系統(tǒng)提高實(shí)驗(yàn)室儀器良性運(yùn)轉(zhuǎn)的高效化，避免上述提及的各類(lèi)困擾煩惱。

3.3 儀器管理的目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)室儀器管理的目標(biāo)是期望儀器設(shè)備能夠持續(xù)穩(wěn)定發(fā)揮原有的功能，并進(jìn)而改善某些性能，使其更加具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。總結(jié)下來(lái)，實(shí)驗(yàn)室基于FMEA理論實(shí)施儀器管理，無(wú)外乎三個(gè)目標(biāo)：第一，盡可能降低因儀器故障造成的損失，例如因儀器故障導(dǎo)致已上線(xiàn)產(chǎn)品的損壞損失、停機(jī)后值機(jī)員等待損失、產(chǎn)品品質(zhì)不良損失；第二，改造儀器升級(jí)產(chǎn)能，通過(guò)改造儀器的構(gòu)造，優(yōu)化儀器參數(shù)，提升儀器的使用效率，升級(jí)產(chǎn)能，降低成本；第三，與動(dòng)態(tài)期望值相適應(yīng)，所謂動(dòng)態(tài)期望值，指的是盡管生產(chǎn)現(xiàn)狀、生產(chǎn)環(huán)境的發(fā)生變化，但儀器設(shè)備可以自適應(yīng)，并持續(xù)具備保持更高的可用度、可靠性、和使用壽命。

4 FMEA理論應(yīng)用案例

本文選取PCB企業(yè)實(shí)驗(yàn)室價(jià)格相對(duì)昂貴、性能也比較精密先進(jìn)，且為PCB廠(chǎng)家普遍使用的儀器—泰克阻抗測(cè)試儀（DSA8200）儀器管理為例講解FMEA分析流程。

4.1 成立FMEA項(xiàng)目小組

采用FMEA分析方法分析DSA8200維護(hù)保養(yǎng)方式，挑選適當(dāng)成員成立項(xiàng)目小組。小組由7名成員組成，操作人員2名、維修人員2名、儀器校準(zhǔn)人員1名、儀器售后工程師人員1名、實(shí)驗(yàn)室管理者1名。學(xué)歷均大專(zhuān)以上，掌握MSA、SPC分析工具。

4.2 實(shí)施FMEA

學(xué)習(xí)FMEA的分析方法，收集影響DSA8200正常運(yùn)行的危險(xiǎn)因素，進(jìn)行集中討論，讓項(xiàng)目組成員全面、迅速了解FMEA分析方法，用頭腦風(fēng)暴法繪制系統(tǒng)流程FMEA，圖1為運(yùn)用FMEA進(jìn)行過(guò)程控制流程圖。

圖1 運(yùn)用FMEA進(jìn)行過(guò)程控制流程圖

4.3 繪制阻抗測(cè)試系統(tǒng)可靠性關(guān)聯(lián)圖

系統(tǒng)可靠性的關(guān)聯(lián)圖是分析可靠性的基礎(chǔ)，是了解系統(tǒng)構(gòu)成組件間的技能關(guān)系的工具。通過(guò)關(guān)聯(lián)圖，可以梳理清楚某一個(gè)層次一旦發(fā)生故障，其對(duì)上、下層次所造成的的影響，可逐層檢驗(yàn)系統(tǒng)上所發(fā)生的故障和影響。FMEA小組根據(jù)DAS8200運(yùn)行工作狀態(tài)，繪制阻抗測(cè)試中心系統(tǒng)可靠性關(guān)聯(lián)圖，圖 2為阻抗測(cè)試系統(tǒng)可靠性關(guān)聯(lián)圖。

圖2 阻抗測(cè)試儀系統(tǒng)可靠性關(guān)聯(lián)圖

阻抗測(cè)試系統(tǒng)包括：測(cè)試探頭P8018（20G 抗靜電單端探頭或?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)連接件）、高頻連接線(xiàn)（20G）、采集模塊（80E04）、靜電保護(hù)模塊（80A02）、除靜電裝置、阻抗測(cè)試室溫濕度控制系統(tǒng)。

FMEA小組根據(jù)阻抗測(cè)試儀歷史故障記錄，針對(duì)所有失效部件的故障模式，評(píng)定該故障模式的故障發(fā)生次數(shù)。再通過(guò)故障發(fā)生次數(shù)與發(fā)生度給分表，以決定每一故障的發(fā)生度分?jǐn)?shù)，表1為FMEA小組討論后制定的發(fā)生度給分參考。

表1 發(fā)生度給分參考表

4.5 分析儀器故障嚴(yán)重度

4.4 分析儀器故障發(fā)生度

FMEA小組根據(jù)阻抗測(cè)試儀實(shí)際故障狀態(tài)，針對(duì)所有失效部件的故障模式，評(píng)定該故障模式所造成的停機(jī)時(shí)間，再根據(jù)停機(jī)時(shí)間和給給分表，決定每一故障的嚴(yán)重度分?jǐn)?shù)，表2為FMEA小組討論后制定的嚴(yán)重度給分參考。

表2 嚴(yán)重度給分參考表

4.6 分析儀器故障難檢度

FMEA小組根據(jù)阻抗測(cè)試儀實(shí)際故障記錄，采用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的方式，使用難檢度評(píng)定準(zhǔn)則，通過(guò)綜合評(píng)定得到每一故障的難檢度分?jǐn)?shù)。

4.7 形成FMEA工作表

FMEA小組按照上述章節(jié)步驟得到嚴(yán)重度、發(fā)生度、難檢度三項(xiàng)評(píng)分要素的得分，帶入風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先指數(shù)計(jì)算公式，形成FMEA工作表，表3為阻抗測(cè)試儀FMEA工作表。

表3 阻抗測(cè)試系統(tǒng)FMEA表

4.8 決定儀器故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

FMEA小組根據(jù)阻抗測(cè)試系統(tǒng)FMEA表，繪制儀器故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)柏拉圖，見(jiàn)圖3。

圖3 儀器故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)柏拉圖

4.9 提出改善措施

依據(jù)圖3，F(xiàn)MEA小組針對(duì)每一故障模式提出具體可行的改善措施，并經(jīng)過(guò)成員的評(píng)估通過(guò)，表4為分析阻抗測(cè)試儀故障模式的原因、后果以及改善措施。

4.10 跟蹤評(píng)價(jià)

FMEA小組結(jié)合圖3，RPN越高，失效的風(fēng)險(xiǎn)越大，它確定了行動(dòng)的優(yōu)先級(jí)，率先對(duì)排列在最前面的問(wèn)題和最關(guān)鍵的項(xiàng)目采取改善措施。FMEA小組也發(fā)現(xiàn)，根據(jù)“二八定律”，最具成效、快速解決阻抗測(cè)試儀管理中存在的問(wèn)題的方法是找到降低采集模塊、測(cè)試探頭、靜電保護(hù)模塊風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)的措施。

表4給出了各類(lèi)潛在失效模式的原因、后果及改善措施。改善措施是否成功，需要重新按照表3阻抗

表4 阻抗測(cè)試儀故障模式的原因、后果以及改善措施

測(cè)試系統(tǒng)FMEA表，計(jì)算新的RPN。詳見(jiàn)表5實(shí)施改善措施后阻抗測(cè)試系統(tǒng)RPN值有779降至97，即阻抗測(cè)試系統(tǒng)過(guò)程得到較好的控制。

Equipment management of PCB laboratory based on FMEA

SONG Jian-yuan

FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) is a technique for reliability management. It is an analytic approach in advance. Based on the establishment of FMEA in PCB laboratory, we can save cost, reduce the shutdown, increase the efficiency, delay the equipment life, and etc.

FMEA; Equipment Maintenance; Shutdown; Equipment Life

TN41

A

1009-0096（2015）01-0055-04