FMEA在石英微機(jī)械陀螺上的應(yīng)用

楊 華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶400060）

FMEA在石英微機(jī)械陀螺上的應(yīng)用

楊 華

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶400060）

通過對(duì)兩種FMEA分析方法進(jìn)行比較，找出了適合電子元器件進(jìn)行FMEA分析的方法，并將這種過程FMEA方法應(yīng)用在石英微機(jī)械陀螺的失效模式與影響分析中，為提高石英微機(jī)械陀螺的質(zhì)量和可靠性提供了一種分析思路。

可靠性分析；失效模式與影響分析；石英微機(jī)械陀螺

0 引言

石英微機(jī)械陀螺具有體積小、穩(wěn)定性和分辨率高，以及高頻率響應(yīng)等特點(diǎn)，因而其在慣性導(dǎo)航、制導(dǎo)等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，石英微機(jī)械陀螺處于工程鑒定階段，其穩(wěn)定性和可靠性還有待進(jìn)一步地提高。因此，對(duì)石英微機(jī)械陀螺進(jìn)行失效模式與影響分析（FMEA:Failure Mode and Effects Analysis）是非常有必要的。

1 FMEA分析的基本方法

FMEA是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)組成單元（元器件或功能模塊）潛在的各種失效模式及其對(duì)產(chǎn)品功能的影響和產(chǎn)生后果的危害程度進(jìn)行分析，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高產(chǎn)品的可靠性的一種設(shè)計(jì)分析方法。通常，F(xiàn)MEA采用“自下而上”、由因到果的邏輯歸納法，由于它不需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算就能夠幫助我們找到產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施，因此，它是可靠性設(shè)計(jì)的重要組成部分，并且越來越受重視。

隨著FMEA技術(shù)的推廣和發(fā)展，各個(gè)國(guó)家、各個(gè)行業(yè)紛紛推出了FMEA的要求和方法，并形成了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或手冊(cè)，我國(guó)以GJB 1391《故障模式、影響及危害性分析指南》（FMECA）和QS 9000FMEA手冊(cè)為主，前者主要用于軍工產(chǎn)品，后者主要用于汽車行業(yè)。

在GJB 1391中，F(xiàn)MECA被分為了設(shè)計(jì)FMECA（含功能FMECA、硬件FMECA、嵌入式軟件FMECA和DMEA）和過程FMECA兩類。在工程研制階段開展FMECA的目的是通過分析產(chǎn)品硬件、軟件、生產(chǎn)工藝和共存性設(shè)計(jì)的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品的硬件、軟件、生產(chǎn)工藝、共存性和易損性的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。石英微機(jī)械陀螺的設(shè)計(jì)以陀螺電路設(shè)計(jì)和石英敏感器件的工藝設(shè)計(jì)為主，其中，石英敏感器件是石英微機(jī)械陀螺的關(guān)鍵核心器件，它決定了陀螺的測(cè)量范圍、零位漂移、分辨率和帶寬等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)能否實(shí)現(xiàn)，以及可靠性指標(biāo)的高低。我們通過對(duì)近年來石英微機(jī)械陀螺在研制和加工過程中的失效模式進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其失效模式主要為無輸出信號(hào)和輸出信號(hào)不穩(wěn)定兩種，失效的原因多為石英敏感器件無輸出或輸出不穩(wěn)定，而造成石英敏感器件失效的原因是多方面的，既有基體材料晶體自身的缺陷，又有振子結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)設(shè)計(jì)方面的原因，還有運(yùn)輸、儲(chǔ)存和人為等多方面的因素。因此，我們決定采用過程FMECA的分析方法，以敏感器件為分析重點(diǎn)，從敏感器件自身結(jié)構(gòu)、材料和工序等方面，對(duì)其失效模式、機(jī)理、影響、嚴(yán)重程度和發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估分析，實(shí)施改進(jìn)措施，從而降低產(chǎn)品在設(shè)計(jì)制作過程中的潛在失效風(fēng)險(xiǎn)。

2 石英微機(jī)械陀螺進(jìn)行FMEA的步驟

對(duì)石英微機(jī)械陀螺進(jìn)行FMEA，必須要熟悉樣品的整體情況，包括結(jié)構(gòu)、工藝生產(chǎn)、使用和環(huán)境等各個(gè)方面，在具體的實(shí)施過程中可大致按以下程序進(jìn)行:

1）了解和掌握石英微機(jī)械陀螺的性能任務(wù)和任務(wù)階段；

2）了解和掌握石英微機(jī)械陀螺的工作原理和結(jié)構(gòu)組成；

3）了解和掌握石英微機(jī)械陀螺的使用環(huán)境條件；

4）了解和掌握石英敏感器件的工藝流程和工序要求；

5）通過統(tǒng)計(jì)分析，找出石英敏感器件的失效模式、機(jī)理，分析其原因和發(fā)生的頻率；

6）找出失效模式的檢測(cè)、隔開措施和方法；

7）找出石英敏感器件工藝設(shè)計(jì)、制作過程中可能的預(yù)防措施，以防止最主要的失效模式和機(jī)理出現(xiàn)；

8）確定各種失效模式和機(jī)理對(duì)產(chǎn)品影響的嚴(yán)重程度；

9）填寫FMEA表。

要想完成一份FMEA文件，不僅僅需要填寫表格，而且需要理解FMEA的過程，以便消除或控制失效的發(fā)生，在實(shí)施的過程中，最關(guān)鍵的是要量化確定每種失效模式和機(jī)理的嚴(yán)重度級(jí)別、失效發(fā)生的頻度和可探測(cè)度，這是確定需要重點(diǎn)或優(yōu)先控制的失效模式和機(jī)理、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵。

根據(jù)GJB 1391中嚴(yán)重度、發(fā)生度和檢測(cè)度提供的參考評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和風(fēng)險(xiǎn)度順序數(shù)的計(jì)算方法，我們結(jié)合自身情況對(duì)風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（RPN）、嚴(yán)重度（S）、頻度（O）和探測(cè)度（D）進(jìn)行規(guī)定，如表1所示。

表1 嚴(yán)重度S、頻度O和探測(cè)度D的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

3 石英微機(jī)械陀螺的組成結(jié)構(gòu)

石英微機(jī)械陀螺主要由電路模塊、石英敏感器件、減振裝置、殼體、蓋板和引線等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。石英敏感器件是石英微機(jī)械陀螺的敏感元件，采用雙端音叉結(jié)構(gòu)，使用MEMS加工技術(shù)研制而成，主要由振子、基座、管帽和引腳組成。石英敏感器件的振子采用石英晶體為基體材料，在驅(qū)動(dòng)音叉上配置一定形狀的電極膜層，使兩個(gè)音叉產(chǎn)生方向相反的彎曲振動(dòng)，讀出音叉上鍍上一定形狀的電極，用于敏感外界的角速度，產(chǎn)生感應(yīng)電荷，支撐結(jié)構(gòu)位于振子結(jié)構(gòu)的中心區(qū)，它使整個(gè)振子通過粘接劑與基座連接在一起，驅(qū)動(dòng)與讀出電極通過導(dǎo)電帶連接到支撐區(qū)，再由支撐區(qū)焊接到基座上，通過絕緣子與外電路相連；石英敏感器件的基座采用可伐材料；管帽利用不銹鋼帶沖壓而成。石英敏感器件的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 石英微機(jī)械陀螺的結(jié)構(gòu)圖

圖2 敏感器件的基本結(jié)構(gòu)圖

4 石英敏感器件的FMEA分析

通過所掌握的資料，首先，對(duì)石英敏感器件的各道工序的功能和要求進(jìn)行分析，以確定該器件與工藝有關(guān)的流程功能和要求。石英敏感器件的工藝流程如表2所示。

建立了工藝流程表之后，還需要進(jìn)一步地找出產(chǎn)品特性與工藝操作中各道工序之間的關(guān)系，以便分析和歸納故障模式，因此，建立了石英敏感器件特性-工藝關(guān)系矩陣表，如表3所示。

在建立了石英敏感器件特性-工藝關(guān)系矩陣表的基礎(chǔ)上，對(duì)石英敏感器件各道工序的平均合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從中發(fā)現(xiàn)工序4、工序6和工序9對(duì)石英敏感器件的性能影響極為關(guān)鍵，因此，決定將這幾個(gè)工序作為FMECA的分析重點(diǎn)。

表2 石英敏感器件的工藝流程表（部分）

在表4中，分別分析了這3個(gè)工序的失效模式、失效原因，并對(duì)每種原因進(jìn)行了嚴(yán)重性、發(fā)生頻率和檢測(cè)特性等方面的分析，有針對(duì)性地提出了糾正措施。通過對(duì)實(shí)施效果的跟蹤，發(fā)現(xiàn)采取措施后石英敏感器件的直通率提高了8%，效果是顯而易見的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在比較了兩種FMEA分析方法后，找出了一種適合于電子元器件產(chǎn)品進(jìn)行FMEA分析的方法，并將這種方法在石英微機(jī)械陀螺的敏感器件的工藝制作過程中進(jìn)行了初步的嘗試，為提高石英微機(jī)械陀螺的可靠性提供了可行性措施。隨著研制工作的逐步深入，F(xiàn)MEA分析的內(nèi)容還需要不斷地補(bǔ)充和深入。

表3 石英敏感器件零部件特性-工藝關(guān)系矩陣（部分）

表4 石英微機(jī)械陀螺敏感器件FMEA分析表

[1]中國(guó)人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.故障模式、影響及危害性分析指南:GJB 1391-2006[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2006.

[2]羅輯，趙和義.軍用電子元器件質(zhì)量管理與質(zhì)量控制[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[3]王蘊(yùn)輝，于宗光，孫再吉.電子元器件可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

[4]丁定浩.電子工程中實(shí)施FMEA的作用和技術(shù)途徑[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005，23（1）:1-5.

[5]李英勇.電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的FMEA分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2008，26（5）:65-70.

[6]曾利，汪小林.測(cè)試性試驗(yàn)的FMECA方法研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2016，34（3）:54-59.

Application of FMEA in Quartz Micromechanical Gyroscope

YANG Hua
（The 26th Pesearch Institute of CETC，Chongqing 400060，China）

By comparing the two kinds of FMEA analysis methods，the FMEA analysis method suitable for the electronic devices is found.And the process FMEA method is applied to the failure mode and effects analysis of quartz micromechanical gyroscope，which provides an analytical method for the improvement of the quality and reliability of quartz micromechanical gyroscope.

reliability；FMEA；quartz micromechanical gyroscope

TB 114.3；U 666.12+3；V 241.5

A

：1672-5468（2017）02-0063-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.014

2016-09-09

2016-12-09

楊華（1964-），女，重慶人，中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十六研究所工程師，主要從事產(chǎn)品質(zhì)量管理及質(zhì)量工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的分析研究工作。