知识点 | 什么是DFMEA，及其用途和优势？

本文原刊登于Ansys Blog：《What is Design Failure Mode and Effect Analysis (DFMEA)?》

作者：Ashok Alagappan | Ansys咨询经理

编辑整理：沈轶烨 | Ansys高级应用工程师

设计失效模式与影响分析（DFMEA）流程可帮助工程师了解与设计相关的潜在风险影响。在设计阶段引入FMEA是一种有助于解答以下问题的最佳实践：

• 设计可能会出现什么问题？

• 特定失效类型会产生什么后果？

• 对于用户来说，失效的明显程度如何？

• 如何检测失效？

• 我们如何减轻失效对产品可靠性或安全性的影响？

• 我们如何从一开始就预防失效的发生？

要了解什么是DFMEA，我们必须首先对失效模式与影响分析（FMEA）有清晰的认识。FMEA是一种系统化方法，可用于识别和评估系统、产品或流程的潜在失效。FMEA可识别失效或活动的影响和结果，并帮助产品开发人员消除或减轻失效的影响。

从组件到系统、以及介于两者之间的各个不同的集成级别，每种产品都会存在失效模式。每种失效模式都会对产品的有效性、可靠性和安全性产生潜在影响，并带来检测、缓解和预防方面的挑战。FMEA工具可通过以下方式助力解决这些挑战：

• 识别与产品设计相关的失效风险。

• 制定行动计划，以降低具有最大影响的风险。

• 通过降低风险确保行动的问责性和可追溯性。

20世纪40年代后期，FMEA技术最初由美国军方开发，20世纪60年代被美国宇航局（NASA）采用，随后在20世纪70年代被汽车行业采用。在整个20世纪80年代，由汽车行业主导并帮助推动了FMEA最佳实践的整合以及标准化工作，从而将该方法优化为一种用于产品开发各个阶段的质量提升和风险评估工具。如今，能源和医疗等主要行业，都将高可靠性和产品安全性作为关键考虑因素，因此，其采用FMEA实践来满足面向供应商和产品认证的行业标准（例如SAE J1739-FMEA）。

FMEA大致分为设计方向和流程方向，具体取决于它是应用于系统/产品设计，还是应用于流程/工作流程。本文重点介绍设计方向的FMEA，即DFMEA。

虽然DFMEA在任何设计流程中都很有价值，但其对于追求快速新产品导入（NPI）和新技术集成的行业尤为重要。新产品和技术本身几乎没有失效历史，虽然评估其与以前的产品或技术的类似性可能会有用，但如果能够使用一种严格的方法，基于可靠性物理原理和DFMEA流程来确定可能的失效模式和机制，这对于降低风险至关重要。如果没有将DFMEA作为关键的设计阶段工具，这可能会在生产、认证测试甚至使用现场中发生成本高昂的失效。

DFMEA可帮助产品团队在产品开发早期阶段了解设计的潜在失效模式，以便对产品进行更佳设计。它可以通过产品的设计单元、检测方法或整体运营和物流支持概念来减轻这些失效的影响。一些采用DFMEA概念的行业包括：

• 汽车

• 航空航天

• 国防

• 工业

• 制造‍业

• 医疗

• 软件

DFMEA可用于从原型设计到生产阶段的整个产品生命周期，主要目标是在投入生产之前检测影响可靠性或安全性的潜在失效。产品的不可靠性会导致非常高昂的成本，并且，在产品生命周期中检测到不可靠性的时间越晚，成本就会呈指数级增长，如图1所示。

图表显示了预防可靠性问题所需的成本在产品生命周期后期阶段如何增长

尽管DFMEA流程需要特定的关键资源和时间投入，但相比于许多其它需要复杂统计分析和说明的可靠性评估方法，它简单易懂。为了从DFMEA流程中获得最大优势：

• 我们需要记住，DFMEA并非一次性的活动，因此可在早期阶段以及整个设计流程中都进行分析。在初始DFMEA中，设置减轻当时设计中已确定风险所需的操作。当发生重大设计变更时，应更新DFMEA，以反映最新的风险，并制定缓解/预防策略。

• 团队合作。这包括来自代表整个产品开发、部署和支持流程（例如设计、生产制造、测试和物流支持）的各领域的参与者。这些领域的参与者都可为流程带来不同的视角和经验，同时，多元化团队可提供识别失效模式的最佳机会，以及最有效的缓解和预防策略。

• 设立推进者（facilitator）。推进者无需是产品设计方面的专家，但应该是DFMEA流程方面的专家。从根本上说，推进者的职责是正确界定DFMEA的范围，推动整个流程的完成，详细记录团队的工作，并针对如何实施制定的风险消除和缓解策略来定义所需的关键行动。

虽然DFMEA的详细步骤可能因标准而略有不同，但任何DFMEA的核心流程都包括：范围界定、失效模式和影响定义，以及风险评估和风险缓解（图2）。

DFMEA流程有助于识别、评估和缓解产品意外失效的风险

DFMEA的范围涉及要考虑的详细程度。例如，在组件级范围内的DFMEA应考虑设计中每个组件的失效模式和风险缓解策略。组件级DFMEA可能会考虑电容器的短路、开路、电容损耗或高泄漏电流等失效模式。

虽然组件级DFMEA很有用，但将组件级DFMEA的结果扩展到系统级的影响和风险则更加困难。作为替代方案，DFMEA的范围可以界定到子系统，甚至功能方框图级别。这样可以在设计的更早期阶段开始分析，并随着设计的不断进展，为具有更精确范围的DFMEA设定基线。

确认范围后，DFMEA团队的初始工作重点是分解系统（与范围定义保持一致），识别系统每个部分的潜在失效模式，以及每种模式对用户感知的产品功能的影响。例如，如果用户将电源开关转到“开”位置，而相应的指示灯并没有亮，则用户可能会将失效模式描述为“指示灯不亮”。该失效的影响可描述为“上电状态指示不准确”或“因电源状态指示不准确而对用户造成高压危险”。每种失效模型都可能具有多种影响，应从DFMEA团队的所有视角认真考虑。

最终，团队将根据最严重的影响，并使用数值严重性等级或指数（通常在1和10之间）来量化失效的严重性，从而反映对用户感知的产品性能的影响。在启动失效定义流程之前，DFMEA团队应就将要使用的评分等级达成一致。  图3显示了SAE J1739标准中给出的评分等级表示例。 

图3：SAE J1739“严重性分级指南”

风险评估的目标是根据严重性、发生概率和可检测能力来量化失效的整体风险。如您所预料，很可能发生且难以检测的严重失效，具有最高的风险。不太可能发生且易于检测的最低严重性失效，具有最低风险等级。

风险等级是加权因子，又称为风险优先系数（RPN），可用于将失效风险从最高到最低进行排序。与严重性的定义一样，为了定义发生概率和检测的可能性，这需要对整个产品生命周期经验丰富的DFMEA团队成员提供输入。在推进者的帮助下，DFMEA团队应在进入失效定义之前，制定常见的发生概率、检测定义以及等级量表。

DFMEA流程的最后阶段是，通过执行控制计划来实现风险缓解和预防。控制计划详细说明了所有权和问责性的范围，以及每项单独的预防或缓解任务的完成时间表。随着产品设计、特性和规范的不断变化，所采取的行动也需进行更新，以确定实施更改后的新风险等级。作为上下游供应链团队的沟通工具，该流程不仅可确保识别潜在的风险因素，还可确保将其消除或减少。

一家国防领域大型电信产品公司，要求Ansys可靠性工程服务（RES）团队对其新一代GPS产品的印刷电路板装配（PCBA）进行DFMEA分析。RES团队将范围限定在模块级并进行分析，同时考虑了构成每个模块电路的所有组件。

分析工作由一个涵盖了设计、生产、供应商质量和供应链管理等多个方面的团队完成。基于既定的等级和阈值标准，该团队确定了关键的风险因素。此外，基于类似系统的经验，RES团队还提供了设计改进的机会，包括用于确保高可靠性的PCB制造指南和最佳实践，针对组件选择的正确质量等级，以及缓解静电放电和电气过应力（ESD/EOS）失效的保护策略。

图4：DFMEA文档模板示例

这家客户遵循了控制计划，在板级实施二级互连改进，以及采用外部保护技术来缓解现场ESD和EOS失效，从而显著节省了成本，并预防了现场失效的发生。