設(shè)計(jì)失效模式與影響分析（DFMEA）流程可幫助工程師了解與設(shè)計(jì)相關(guān)的潛在風(fēng)險(xiǎn)影響。在設(shè)計(jì)階段引入FMEA是一種有助于解答以下問(wèn)題的最佳實(shí)踐：

設(shè)計(jì)可能會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？

特定失效類(lèi)型會(huì)產(chǎn)生什么后果？

對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，失效的明顯程度如何？

如何檢測(cè)失效？

我們?nèi)绾螠p輕失效對(duì)產(chǎn)品可靠性或安全性的影響？

我們?nèi)绾螐囊婚_(kāi)始就預(yù)防失效的發(fā)生？

什么是失效模式與影響分析（FMEA）？

要了解什么是DFMEA，我們必須首先對(duì)失效模式與影響分析（FMEA）有清晰的認(rèn)識(shí)。FMEA是一種系統(tǒng)化方法，可用于識(shí)別和評(píng)估系統(tǒng)、產(chǎn)品或流程的潛在失效。FMEA可識(shí)別失效或活動(dòng)的影響和結(jié)果，并幫助產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員消除或減輕失效的影響。

從組件到系統(tǒng)、以及介于兩者之間的各個(gè)不同的集成級(jí)別，每種產(chǎn)品都會(huì)存在失效模式。每種失效模式都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的有效性、可靠性和安全性產(chǎn)生潛在影響，并帶來(lái)檢測(cè)、緩解和預(yù)防方面的挑戰(zhàn)。FMEA工具可通過(guò)以下方式助力解決這些挑戰(zhàn)：

識(shí)別與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相關(guān)的失效風(fēng)險(xiǎn)。

制定行動(dòng)計(jì)劃，以降低具有最大影響的風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)降低風(fēng)險(xiǎn)確保行動(dòng)的問(wèn)責(zé)性和可追溯性。

20世紀(jì)40年代后期，F(xiàn)MEA技術(shù)最初由美國(guó)軍方開(kāi)發(fā)，20世紀(jì)60年代被美國(guó)宇航局（NASA）采用，隨后在20世紀(jì)70年代被汽車(chē)行業(yè)采用。在整個(gè)20世紀(jì)80年代，由汽車(chē)行業(yè)主導(dǎo)并幫助推動(dòng)了FMEA最佳實(shí)踐的整合以及標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而將該方法優(yōu)化為一種用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)各個(gè)階段的質(zhì)量提升和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工具。如今，能源和醫(yī)療等主要行業(yè)，都將高可靠性和產(chǎn)品安全性作為關(guān)鍵考慮因素，因此，其采用FMEA實(shí)踐來(lái)滿(mǎn)足面向供應(yīng)商和產(chǎn)品認(rèn)證的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（例如SAE J1739-FMEA）。

DFMEA與FMEA

FMEA大致分為設(shè)計(jì)方向和流程方向，具體取決于它是應(yīng)用于系統(tǒng)/產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還是應(yīng)用于流程/工作流程。本文重點(diǎn)介紹設(shè)計(jì)方向的FMEA，即DFMEA。

哪些行業(yè)使用DFMEA？

雖然DFMEA在任何設(shè)計(jì)流程中都很有價(jià)值，但其對(duì)于追求快速新產(chǎn)品導(dǎo)入（NPI）和新技術(shù)集成的行業(yè)尤為重要。新產(chǎn)品和技術(shù)本身幾乎沒(méi)有失效歷史，雖然評(píng)估其與以前的產(chǎn)品或技術(shù)的類(lèi)似性可能會(huì)有用，但如果能夠使用一種嚴(yán)格的方法，基于可靠性物理原理和DFMEA流程來(lái)確定可能的失效模式和機(jī)制，這對(duì)于降低風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。如果沒(méi)有將DFMEA作為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)階段工具，這可能會(huì)在生產(chǎn)、認(rèn)證測(cè)試甚至使用現(xiàn)場(chǎng)中發(fā)生成本高昂的失效。

DFMEA可幫助產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)早期階段了解設(shè)計(jì)的潛在失效模式，以便對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更佳設(shè)計(jì)。它可以通過(guò)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)單元、檢測(cè)方法或整體運(yùn)營(yíng)和物流支持概念來(lái)減輕這些失效的影響。一些采用DFMEA概念的行業(yè)包括：

汽車(chē)

航空航天

國(guó)防

工業(yè)

制造?業(yè)

醫(yī)療

軟件

了解DFMEA在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的用途和優(yōu)勢(shì)

DFMEA可用于從原型設(shè)計(jì)到生產(chǎn)階段的整個(gè)產(chǎn)品生命周期，主要目標(biāo)是在投入生產(chǎn)之前檢測(cè)影響可靠性或安全性的潛在失效。產(chǎn)品的不可靠性會(huì)導(dǎo)致非常高昂的成本，并且，在產(chǎn)品生命周期中檢測(cè)到不可靠性的時(shí)間越晚，成本就會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，如圖1所示。

圖表顯示了預(yù)防可靠性問(wèn)題所需的成本在產(chǎn)品生命周期后期階段如何增長(zhǎng)

了解DFMEA流程

盡管DFMEA流程需要特定的關(guān)鍵資源和時(shí)間投入，但相比于許多其它需要復(fù)雜統(tǒng)計(jì)分析和說(shuō)明的可靠性評(píng)估方法，它簡(jiǎn)單易懂。為了從DFMEA流程中獲得最大優(yōu)勢(shì)：

我們需要記住，DFMEA并非一次性的活動(dòng)，因此可在早期階段以及整個(gè)設(shè)計(jì)流程中都進(jìn)行分析。在初始DFMEA中，設(shè)置減輕當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)中已確定風(fēng)險(xiǎn)所需的操作。當(dāng)發(fā)生重大設(shè)計(jì)變更時(shí)，應(yīng)更新DFMEA，以反映最新的風(fēng)險(xiǎn)，并制定緩解/預(yù)防策略。

團(tuán)隊(duì)合作。這包括來(lái)自代表整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、部署和支持流程（例如設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、測(cè)試和物流支持）的各領(lǐng)域的參與者。這些領(lǐng)域的參與者都可為流程帶來(lái)不同的視角和經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)，多元化團(tuán)隊(duì)可提供識(shí)別失效模式的最佳機(jī)會(huì)，以及最有效的緩解和預(yù)防策略。

設(shè)立推進(jìn)者（facilitator）。推進(jìn)者無(wú)需是產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的專(zhuān)家，但應(yīng)該是DFMEA流程方面的專(zhuān)家。從根本上說(shuō)，推進(jìn)者的職責(zé)是正確界定DFMEA的范圍，推動(dòng)整個(gè)流程的完成，詳細(xì)記錄團(tuán)隊(duì)的工作，并針對(duì)如何實(shí)施制定的風(fēng)險(xiǎn)消除和緩解策略來(lái)定義所需的關(guān)鍵行動(dòng)。

雖然DFMEA的詳細(xì)步驟可能因標(biāo)準(zhǔn)而略有不同，但任何DFMEA的核心流程都包括：范圍界定、失效模式和影響定義，以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)緩解（圖2）。

DFMEA流程有助于識(shí)別、評(píng)估和緩解產(chǎn)品意外失效的風(fēng)險(xiǎn)

DFMEA的范圍界定

DFMEA的范圍涉及要考慮的詳細(xì)程度。例如，在組件級(jí)范圍內(nèi)的DFMEA應(yīng)考慮設(shè)計(jì)中每個(gè)組件的失效模式和風(fēng)險(xiǎn)緩解策略。組件級(jí)DFMEA可能會(huì)考慮電容器的短路、開(kāi)路、電容損耗或高泄漏電流等失效模式。

雖然組件級(jí)DFMEA很有用，但將組件級(jí)DFMEA的結(jié)果擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)的影響和風(fēng)險(xiǎn)則更加困難。作為替代方案，DFMEA的范圍可以界定到子系統(tǒng)，甚至功能方框圖級(jí)別。這樣可以在設(shè)計(jì)的更早期階段開(kāi)始分析，并隨著設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)展，為具有更精確范圍的DFMEA設(shè)定基線(xiàn)。

失效模式與影響定義

確認(rèn)范圍后，DFMEA團(tuán)隊(duì)的初始工作重點(diǎn)是分解系統(tǒng)（與范圍定義保持一致），識(shí)別系統(tǒng)每個(gè)部分的潛在失效模式，以及每種模式對(duì)用戶(hù)感知的產(chǎn)品功能的影響。例如，如果用戶(hù)將電源開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到“開(kāi)”位置，而相應(yīng)的指示燈并沒(méi)有亮，則用戶(hù)可能會(huì)將失效模式描述為“指示燈不亮”。該失效的影響可描述為“上電狀態(tài)指示不準(zhǔn)確”或“因電源狀態(tài)指示不準(zhǔn)確而對(duì)用戶(hù)造成高壓危險(xiǎn)”。每種失效模型都可能具有多種影響，應(yīng)從DFMEA團(tuán)隊(duì)的所有視角認(rèn)真考慮。

最終，團(tuán)隊(duì)將根據(jù)最嚴(yán)重的影響，并使用數(shù)值嚴(yán)重性等級(jí)或指數(shù)（通常在1和10之間）來(lái)量化失效的嚴(yán)重性，從而反映對(duì)用戶(hù)感知的產(chǎn)品性能的影響。在啟動(dòng)失效定義流程之前，DFMEA團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)就將要使用的評(píng)分等級(jí)達(dá)成一致。 圖3顯示了SAE J1739標(biāo)準(zhǔn)中給出的評(píng)分等級(jí)表示例。

圖3：SAE J1739“嚴(yán)重性分級(jí)指南”

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目標(biāo)是根據(jù)嚴(yán)重性、發(fā)生概率和可檢測(cè)能力來(lái)量化失效的整體風(fēng)險(xiǎn)。如您所預(yù)料，很可能發(fā)生且難以檢測(cè)的嚴(yán)重失效，具有最高的風(fēng)險(xiǎn)。不太可能發(fā)生且易于檢測(cè)的最低嚴(yán)重性失效，具有最低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是加權(quán)因子，又稱(chēng)為風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)（RPN），可用于將失效風(fēng)險(xiǎn)從最高到最低進(jìn)行排序。與嚴(yán)重性的定義一樣，為了定義發(fā)生概率和檢測(cè)的可能性，這需要對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生命周期經(jīng)驗(yàn)豐富的DFMEA團(tuán)隊(duì)成員提供輸入。在推進(jìn)者的幫助下，DFMEA團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)在進(jìn)入失效定義之前，制定常見(jiàn)的發(fā)生概率、檢測(cè)定義以及等級(jí)量表。

風(fēng)險(xiǎn)緩解和預(yù)防

DFMEA流程的最后階段是，通過(guò)執(zhí)行控制計(jì)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)緩解和預(yù)防?？刂朴?jì)劃詳細(xì)說(shuō)明了所有權(quán)和問(wèn)責(zé)性的范圍，以及每項(xiàng)單獨(dú)的預(yù)防或緩解任務(wù)的完成時(shí)間表。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)、特性和規(guī)范的不斷變化，所采取的行動(dòng)也需進(jìn)行更新，以確定實(shí)施更改后的新風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。作為上下游供應(yīng)鏈團(tuán)隊(duì)的溝通工具，該流程不僅可確保識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，還可確保將其消除或減少。

DFMEA和模板示例

一家國(guó)防領(lǐng)域大型電信產(chǎn)品公司，要求Ansys可靠性工程服務(wù)（RES）團(tuán)隊(duì)對(duì)其新一代GPS產(chǎn)品的印刷電路板裝配（PCBA）進(jìn)行DFMEA分析。RES團(tuán)隊(duì)將范圍限定在模塊級(jí)并進(jìn)行分析，同時(shí)考慮了構(gòu)成每個(gè)模塊電路的所有組件。

分析工作由一個(gè)涵蓋了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、供應(yīng)商質(zhì)量和供應(yīng)鏈管理等多個(gè)方面的團(tuán)隊(duì)完成?；诩榷ǖ牡燃?jí)和閾值標(biāo)準(zhǔn)，該團(tuán)隊(duì)確定了關(guān)鍵的風(fēng)險(xiǎn)因素。此外，基于類(lèi)似系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，RES團(tuán)隊(duì)還提供了設(shè)計(jì)改進(jìn)的機(jī)會(huì)，包括用于確保高可靠性的PCB制造指南和最佳實(shí)踐，針對(duì)組件選擇的正確質(zhì)量等級(jí)，以及緩解靜電放電和電氣過(guò)應(yīng)力（ESD/EOS）失效的保護(hù)策略。

圖4：DFMEA文檔模板示例

這家客戶(hù)遵循了控制計(jì)劃，在板級(jí)實(shí)施二級(jí)互連改進(jìn)，以及采用外部保護(hù)技術(shù)來(lái)緩解現(xiàn)場(chǎng)ESD和EOS失效，從而顯著節(jié)省了成本，并預(yù)防了現(xiàn)場(chǎng)失效的發(fā)生。

審核編輯：湯梓紅