電子組裝製程失效模式與效應分析之探討
莊寶鵰1 張添盛2 黃仕慶3 1國立高雄大學亞太工商管理學系教授 2國立屏東科技大學工業管理系副教授 3國立屏東科技大學工業管理系碩士班 摘 要 失效模式與效應分析(FMEA)是用來分析產品/系統內潛在之失效模式，並對此可能造成之 不良後果，提出適當的改善活動以防止問題再度發生。目前國內專業電子製造服務(EMS)產業 面對顧客對於品質要求不斷提高的趨勢下，如何降低產品在設計、試產以及量產階段中的不良 率與潛在失效模式乃成為 EMS 廠商一項重要的課題。本研究以 EMS 之電子組裝業的表面黏著 製程(SMD)為研究對象，探討製程中潛在失效現象發生的根本原因，並且採取風險領先指數的 分析方法，來選擇優先處理之項目，做為實施矯正預防措施、防止再發的依據，以提高產品的 整體品質和確保顧客使用的滿意。 關鍵詞：失效模式與效應分析、專業電子製造服務、風險領先指數。 1. 前 言失效模式與效應分析（Failure Modes and Effects Analysis, FMEA）是用來分析系統內潛在之 失效模式，並對此系統可能造成之不良後果，給予定性之評價，提出適當之改善對策作業，以 防止故障再度發生[7]。FMEA 大約萌芽於 1950 年代初期，不少文獻指出 FMEA 廣泛地被運用 在設計、評估、發展以及生產各種有形產品，例如：飛彈、飛機、半導體封裝、光學研磨機製 程、滾子鍊條等各種國防、航空、工業及民生用品等之可靠性與安全性[1][2][3]，而亦有學者將 FMEA 應用於事務流程、圖書業務流通、壽險業務、資源回收系統、電子商務系統等無形產品 的流程、系統設計上[4][5]，提昇其系統作業之穩定度與可靠度，皆獲致輝煌之成效。另有學者 將 FMEA 作為整體預防與製程管制策略之一部分，使其成為一種活的文件，並使用作為持續不 斷改善與問題預防的工具[12]，其角色與重要性如圖 1 所示。 隨著電子產品低價化的發展趨勢，電子產業逐漸有將部份製造過程外包的趨勢，促使專業 電子製造服務（Electronics Manufacturing Services, EMS）產業更加蓬勃發展，許多電子產品公 司已經將公司的資源著重在研發設計與市場行銷工作上，而將需要大量資金與設備投入的製造 工作委託給 EMS 供應商來生產，EMS 供應商除了能夠幫客戶生產製造之外，從零組件的備料 到製成品的配銷支援，都能夠協助客戶完成。 EMS 提供客戶全方位的解決方案和完整的電子製造服務，也可以說是以電子產品製造合作 為基礎，提供專業生產及服務的廠商。一般 EMS 供應商所提供的服務項目主要分為：印刷電路 板組裝、半成品組裝、系統組裝等三大類，而 EMS 供應商服務的電子產品種類非常廣泛，從網 路通訊到電腦週邊、從醫療器材到行動電話、從主機板到筆記型電腦，EMS 供應商接受客戶的 委託，依照實際上的生產需求，提供來料代工（Consignment）或代料代工（Turnkey）的專業生 產及製程服務。 從美國電子產業專業分工的發展歷程來看，新創業公司專注研發與行銷，搶佔利基市場； EMS 供應商則專注於開發符合市場需求的製程技術，提升製造品質與產品良率，縮短產品上市 時程。兩者各司其職，各展所長，互蒙其利，故 EMS 供應商視品質為核心競爭能力之一，因此 普遍運用 FMEA 這種手法於工程的改善，特別在改善產生不良品的工程上，無不傾全力投入製 程研發與改善的計劃。 目前 EMS 業者在品質不斷要求提高下，如何使產品在測試及量產時有極低的不良率，導入 製程 FMEA 是絕對必要的[5]。本研究即是以印刷電路板組裝（Printed Circuit Board Assembly, PCBA）製程為研究對象，藉由實施 FMEA 得以指出製程弱點之所在，改善不適當之機能或參 數，同時提出改善對策以防止故障再度發生，進而提昇產品之可靠度。
圖 1、FMEA 的角色說明圖[12]
2.印刷電路板組裝製程分析 2.1 印刷電路板組裝製程簡介印刷電路板組裝係依設計部門所提供的電路板設計圖，將所需之電子元件（Component）、 連接器（Connector）、IC、晶片組等零件透過表面黏著技術（Surface Mount Technology, SMT） 置件於印刷電路板（Printed Circuit Board, PCB）之指定位置上，整段製程主要包括表面黏著技
術、人工插件（Stuffing）、波焊（Wave Solder）、人工修整（Touch Up）、測試（含 ATE 及功能
測試）等製程，其一般製造流程如圖 2 所示。
圖 2、電路板組裝流程
2.2 現況說明
依據某國內 EMS 大廠 A 公司 7 月份主機板生產線之檢驗紀錄顯示，各工作站的品質狀況 以表面黏著製程(Surface Mount Department, SMD)較差，如表 1 及圖 3 所示。依據 80-20 法則， 改善小組則將提昇 SMD 站之良率做為首要之目標。 表 1、A 公司 7 月份之生產檢驗報告 工作站 檢查數 不良品數 不良品率（DPPM） SMD 27883 612 21948.86 Touch Up 27750 342 12324.32 First Test（ATE） 27812 145 5213.58 Functional Test 27758 65 2341.67
錫
膏
印
刷
置
件
功
能
測
試
迴
焊
人
工
插
件
波
焊
人
工
修
整
A
T
E
SMT
圖 3、A 公司 7 月份之生產檢驗直方圖 2.3 缺點型態分析 一般而言，印刷電路板組裝在 SMD 站常見之缺點型態有短路、假焊、缺件、掉件、撞件… 等等類型。而將檢驗資料歸類整理，得到表 2 及圖 4 之資訊。 表 2、A 公司 SMD 站 7 月份之生產檢驗報告 缺點型態 不良品數 比率 短路 116 18.95﹪ 假焊 104 16.99﹪ 缺件 90 14.71﹪ 墓碑效應 73 11.93﹪ 翻件 64 10.46﹪ 多件夾帶 54 8.82﹪ 側立 52 8.50﹪ 其他 59 9.64﹪ Total 612 圖 4、A 公司 SMD 站 7 月份生產檢驗之缺點柏拉圖分析 3. SMD 製程失效模式分析 FMEA 是一種活的（需持續檢討的）文件，應該在可行性評估之前或之後就開始實施。在 為生產提供所需設備之前，從各個零件到組裝成品的所有製程都應考慮到。FMEA 全面的實施
需靠全公司各個部門通力合作與協助，建立在共同合作的基礎上，才能真正有效的達到 FMEA 的目標。本節針對 A 公司 SMD 站之製程 FMEA 的分析，首先採用腦力激盪方式評選出主要潛 在的失效模式；然後，經由風險領先指數之評估與計算後，來確認製程失效模式之矯正與預防 措施實施的優先次序。 3.1 選擇主要潛在失效模式 失效模式與效應分析小組成員由各部門主管從有影響區域和具有相關知識、技能之人員中 選派參與提供貢獻，例如品保工程師、工業工程師、測試工程師、製程工程師、製造課長/領班 /技術員等相關人員，並從中推選出一位 Leader，主導整個團隊之專案計畫推行、溝通協調、跟 催與控制。 失效模式與效應分析小組 Leader 應舉行會議，透過腦力激盪的方式，評估出主要潛在失效 模式，然在選擇潛在失效模式時，不應把前製程導致的失效模式包含進來。本研究以特性要因 圖（又稱魚骨圖）來歸納整理 SMD 前三大項缺點型態的主要潛在失效原因，如圖 5 至圖 7 所示。 圖 5、短路問題之特性要因圖分析 圖 6、假焊問題之特性要因圖分析 圖 7、缺件問題之特性要因圖分析
3.2 風險領先指數之評估與計算
衡量製程失效模式之風險領先指數（Risk Priority Number，RPN）會牽涉到該失效模式之嚴
重度（Severity, S）、發生度（Occurrence, O）和偵測度（Detection, D），其等級之判定，本研究
依據 IPC（Institute for Printed Circuit）文件並考量產業特性後整理如表 3 至表 5 所示。而 RPN 可定義為 RPN ＝ （S） × （O） × （D） 。依其定義可知，RPN 是由 1 至 1000 的數值，且 被使用在強調失效模式的影響和成因，及對客戶和產品品質上有高的衝擊。一般來說，任何時 刻當一個影響的嚴重度愈高時，矯正措施應被要求立即實施的。所以，當 RPN 指數愈高時，代 表該失效模式愈應該被列為優先矯正與預防的對象。 經評估計算可得到 SMD 一般失效分析表，如表 6 所示，其中造成 SMD 潛在失效的原因中， 風險領先指數最高的前三項為：（1）零件氧化而造成假焊問題（RPN＝160），（2）錫量過多造 成短路（RPN＝140），（3）PCB 變形造成假焊問題（RPN＝128）。因此這三項原因必須是最優 先列為矯正預防措施活動的改善對象，並且是未來製程設計與控制的審查重點，以提高製程穩 定度與可靠度。 4. 結 論 生產環境中的變異因素的關係錯綜複雜，其發生的根本原因常涵蓋人員、機器、環境、方 法、量測與材料彼此間的交互作用影響，因此結合 FMEA 與品管手法和工具，整合與改良現有 的製程技術，透過全員的腦力激盪與團隊合作，以建立起一套完整的系統化改善和預防模式， 對於電子組裝業和其他相關產業的整體品質提昇而言，是相當重要的課題。然若能於設計之初 或新產品導入初期即確實實施 FMEA，必能確保產品之可靠度並減少後續之檢驗、重工等額外 之預防和失敗的品質成本，俾使產品之設計臻於完善之水準。本研究以電子組裝業的 SMD 製程 為研究對象，探討製程中潛在失效現象發生的根本原因，並且採取風險領先指數的分析方法， 來選擇優先處理之項目，據此實施矯正預防措施，以防止其再度發生，以提高產品的整體品質 和確保顧客使用滿意度。 表 3、嚴重度評核表 效 果 指 標 判 斷 標 準 無 影 響 1 對下游製程或客戶無影響。 非 常 輕 微 的 影 響 2 對下游製程無較大影響，內部的客戶或許不會注意到此失效情形。 輕 微 影 響 輕 微 的 影 響 3 對下游製程無較大影響，但內部客戶會注意此錯誤，但或許不在前 三大缺點項目內。 較 小 的 影 響 4 對下游製程有較小的影響，但客戶端或許沒有機會看到它。 中 度 的 影 響 5 對下游製程和內部客戶有明顯的影響，有時會出現在前三大缺點項 目內，可能需要正式的矯正措施活動去解決。 中 度 影 響 顯 著 的 影 響 6 對下游製程和內部客戶有明顯的影響，需要正式的矯正措施活動去 解決。或許會導致外部客戶的抱怨。 較 大 的 影 響 7 對下游製程可能引起主要缺點，需要正式的矯正措施活動去解決。 嚴 重 的 影 響 8 對下游製程可能導致生產線停線，並被要求廠內重工，導致外部客
戶要求採取矯正預防措施(Corrective Action Request, CAR)。 非 常 嚴 重 的 影 響 9 對下游製程將引起生產線停線和重工範圍的擴大，或許導致外部客 戶的訂單中斷或更換供應商。 嚴 重 影 響 有 危 險 性 的 影 響 10 對客戶端可能會引起危安事件。可能引起客戶端採取法律措施。 表 4、發生度評核表 失 效 可 能 性 風 險 數 失 效 比 率 Cpk (註) 幾 乎 不 可 能 1 < 1 in 1500000 > 1.67 極 微 乎 其 微 的 2 1 in 150000 > 1.50 前 廿 大 缺 點 非 常 細 微 的 3 1 in 15000 > 1.33 細 微 的 4 1 in 2000 > 1.17 低 的 5 1 in 400 > 1.00 前 十 大 缺 點 中 等 的 6 1 in 80 > 0.83 適 度 地 高 7 1 in 20 > 0.67 高 的 8 1 in 8 > 0.51 非 常 高 的 9 1 in 3 > 0.33 前 三 大 缺 點 幾 乎 確 定 的 10 > 1 in 3 <0.33 註：Cpk=製程能力指標。Cpk 值愈大，發生度愈低； Cpk 值愈小，發生度愈高。
表 5、偵測度評核表 偵 測 度 風 險 度 判 斷 標 準 無 影 響 1 可靠的管制手法被應用在相似的製程和產品上 非 常 輕 微 的 影 響 2 相似的製程由歷史紀錄中得到，管制手法很有可能偵測出失效 模式。（使用防呆技術為基礎） 高 的 機 會 偵 測 出 來 輕 微 的 影 響 3 管制手法有高的可能偵測出失效模式。 較 小 的 影 響 4 管制手法有可能偵測出失效模式。 中 度 的 影 響 5 管制手法或許能夠偵測出失效模式。（在此使用 100﹪外觀檢驗 為基準） 中 等 機 會 偵 測 出 來 顯 著 的 影 響 6 管制手法有低的可能性將偵測出失效模式。 較 大 的 影 響 7 管制手法有細微的可能性將偵測出失效模式。（使用 IPQC 或 QC 巡檢為基準） 嚴 重 的 影 響 8 基於相似產品或製程來評估 非 常 嚴 重 的 影 響 9 管制手法偵測出失效模式的可能性是極其微乎其微的。 低 的 機 會 偵 測 出 來 有 危 險 性 的 影 響 10 沒有適當的管制手法去偵測失效模式。 表 6、SMD 一般失效分析表 項 次 失 效 現 象 造 成 影 響 可 能 原 因 嚴 重 度 S 發 生 度 O 偵 測 度 D R P N 錫量過多 較 大 的 影 響 7 細 微 的 4 中 度 的 影 響 5 140 PCB Layout 不良 中 度 的 影 響 5 非 常 細 微 的 3 中 度 的 影 響 5 75 PCB PAD 未加 Solder Dam 較 小 的 影 響 4 極 微 乎 其 微 的 2 中 度 的 影 響 5 40 置件過深 較 小 的 影 響 4 細 微 的 4 中 度 的 影 響 5 80 鋼板變形或張力不符規 格 顯 著 的 影 響 6 非 常 細 微 的 3 較 小 的 影 響 4 72 一 短路 產品不良 客戶抱怨 設備損壞 鋼板開孔設計不當 中 度 的 影 響 5 非 常 細 微 的 3 中 度 的 影 響 5 75 零件氧化 嚴 重 的 影 響 8 細 微 的 4 中 度 的 影 響 5 160 PCB PAD 拒焊 嚴 重 的 影 響 8 非 常 細 微 的 3 中 度 的 影 響 5 120 零件蹺腳 嚴 重 的 影 響 8 非 常 細 微 的 3 較 小 的 影 響 4 96 錫量不足 中 度 的 影 響 5 細 微 的 4 較 小 的 影 響 4 80 錫膏硬化 輕 微 的 影 響 3 非 常 細 微 的 3 輕 微 的 影 響 3 27 Profile 參數不適當 嚴 重 的 影 響 8 非 常 細 微 的 3 較 小 的 影 響 4 96 PCB 變形 嚴 重 的 影 響 8 細 微 的 4 較 小 的 影 響 4 128 Flux 污染 輕 微 的 影 響 3 非 常 細 微 的 3 輕 微 的 影 響 3 27 二 假焊 產品不良 客戶抱怨 使用者不悅 置件深度 較 小 的 影 響 4 非 常 細 微 的 3 輕 微 的 影 響 3 36 料捲異常 中 度 的 影 響 5 非 常 細 微 的 3 輕 微 的 影 響 3 45 ECN 項目未加入 中 度 的 影 響 5 細 微 的 4 輕 微 的 影 響 3 60 料槍放置錯誤 中 度 的 影 響 5 細 微 的 4 中 度 的 影 響 5 100 卡料 較 小 的 影 響 4 非 常 細 微 的 3 較 小 的 影 響 4 48 Nozzle 耗損 較 小 的 影 響 4 細 微 的 4 輕 微 的 影 響 3 48 置件過快 較 小 的 影 響 4 細 微 的 4 較 小 的 影 響 4 64 程式設定錯誤 中 度 的 影 響 5 細 微 的 4 中 度 的 影 響 5 100 三 缺件 產品不良 客戶抱怨 設備損壞 Nozzle 選定不恰當 較 小 的 影 響 4 非 常 細 微 的 3 輕 微 的 影 響 3 36 參考文獻 1. 許惠玲，「模糊邏輯失效模式與效應分析於半導體封裝測試廠之應用」，中華大學工業工程與 管理研究所碩士論文，2000。 2. 張添盛、莊寶鵰、黃一正，「滾子鏈條潛在性失效模式探討」，品質月刊，8，73-78（2001）。 3. 蔣東儒，「建立系統化的製程改善模式－以光學研磨製程為例」，元智大學工業工程研究所碩 士論文，2000。 4. 盧昆宏，「資源回收系統之失效模式效應分析」，中華民國品質學會第三十五屆年會暨第五屆 全國品質管理研討會論文集，371-384（1999）。 5. 盧昆宏、連怡芬，「利用 FMEA 提昇電子商務系統可靠性之初探」，中華民國品質學會第三 十七屆年會暨第七屆全國品質管理研討會論文集，267-282（2001）。
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A Study of Failure Modes and Effects Analysis
in Electronics Assembly Process
Pao-Tiao Chuang1 Tien-Sheng Chang2 Shih-Ching Huang3 1
Professor, Department of Asia-Pacific Industrial and Business Management, National University of Kaohsiung
2
Associate Professor, Department of Industrial Management, National Pingtung University of Science and Technology
3
Graduate student, Department of Industrial Management, National Pingtung University of Science and Technology
Abstract
The Failure Modes and Effects Analysis （ FMEA ） has been successfully applied in manufacturing process improvement to prevent the occurrence of potential failure modes and effects of a product or system. Currently, the Electronics Manufacturing Services (EMS) industry in Taiwan faces global competition on product quality and reliability. Thus, it is essential for the EMS to implement the FMEA approach in the design, prototyping, and manufacturing stages of a product/system to reduce product nonconforming rate and potential process failures. This research applied the FMEA approach in the Surface Mount Department (SMD) process of the electronics assembly industry to diagnose the root causes of potential process failure modes and effects. Further, a risk priority number was assessed and computed for each potential cause to prioritize the order of the correcting and improving activities for the potential failure modes. Through the FMEA analysis, the improvement of quality and reliability of the SMD process could be expected.
Keywords：Failure Modes and Effects Analysis, Electronics Manufacturing Services, Risk Priority
