基于探測效果的測試分類方法研究

摘 要：新版DFMEA已于2019年6月發(fā)布，其將測試手段分為通過測試、失效測試和老化測試三大類，此分類方法有別于常規(guī)的分類。鑒于此，探索和研究了三種測試方法的明確定義，指出這種分類方法的依據(jù)在于探測效果的不同，列舉了典型的測試案例，有助于從業(yè)者更加有效地使用FMEA工具來進行技術風險控制。

關鍵詞：風險管理;測試分類;探測度果;設計失效模式

0? ? 引言

在全球化的市場環(huán)境中，產(chǎn)品質(zhì)量的高低，不僅關系到產(chǎn)品的市場競爭能力，而且關系到企業(yè)的生存和發(fā)展，關系到企業(yè)的形象和信譽，因而質(zhì)量保證體系是企業(yè)發(fā)展與成長之根本，這已經(jīng)成為中國企業(yè)的共識。

ISO 9001質(zhì)量保證體系的8.5.1節(jié)中提到，在產(chǎn)品的開發(fā)過程中，需要考慮開發(fā)的產(chǎn)品和服務的特性以及失敗的潛在后果。針對汽車行業(yè)的IATF 16949質(zhì)量體系，更是明確規(guī)定失效模式影響和分析（FMEA）為其五大核心工具之一。

業(yè)界比較認可的FMEA的定義是：在產(chǎn)品設計和過程設計的早期階段，對產(chǎn)品以及構成產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零件（或構成過程的各個工序）等進行分析，找出潛在的失效模式，分析其潛在的影響和發(fā)生的起因，從多個維度來評價和衡量風險程度，實施有針對性的改進，達到降低風險的目的。

一直以來，AIAG（美國汽車工業(yè)行動集團）和VDA（德國汽車工業(yè)聯(lián)合會）都有不同的FMEA技術手冊，這造成了供應鏈的重復培訓和認證，導致了浪費。2019年6月，AIAG組織和VDA組織聯(lián)合發(fā)布了新版的FMEA手冊：AIAG VAD FMEA 2019年第1版。在新的手冊中，用“七步法”結構化的方法，替代了AIAG原來的“頭腦風暴法”，操作性更強，對失效模式的揭露更加全面。不但如此，DFMEA的SOD三個評級表及措施優(yōu)先級表格都有了重大的改變[1]。在DFMEA探測度（D）評判表中提到了新的測試分類方法，但新方法指向模糊，給從業(yè)者帶了十分大的困擾。本文試圖對基于探測度的測試分類方法進行探索和研究。

1? ? 探測度（D）評判表適用的測試分類

為了掌握零部件、模塊和整機的質(zhì)量水平，驗證產(chǎn)品是否滿足預期的用途和功能要求，除對失效造成的客戶的影響進行評級（嚴重度，Severity）外，也要對失效以及失效的原因進行預防，降低發(fā)生度（Occurrence），最終還必須進行一系列的測試，保證合適的探測度（Detection），從而達到優(yōu)化設計、降低風險的目的。

如表1所示，在新版DFMEA的可檢測度評級表中，以“探測方法成熟度”（測試程序的成熟是否驗證過和測試時間在項目靠前還是靠后）和“探測機會”兩個維度來進行衡量。在“探測機會”中列出了三種測試類型：通過測試、失效測試和老化測試[1]。

可以從新的評級表看出，三種檢查手段的效力是不一樣的。如果是通過測試，則探測度的評級至少是4分，反過來，如果采用老化測試，則探測度的評級最多可以降低到2分。探測度評級分數(shù)越小，表明探測的效果越好，越能夠揭露失效模式或失效原因。

2? ? 調(diào)查和溯源

測試的類型很多，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類方法。根據(jù)測試的層次關系，可以分為材料測試、機械性能測試、電學性能測試、產(chǎn)品功能測試、環(huán)境可靠性測試等。根據(jù)測試的場地，可以分為現(xiàn)場測試、模擬場地測試和臺架測試。根據(jù)樣件的破壞情況，可以分為破壞性測試和無損檢測。按照驗證的階段，可以分為DV設計驗證和PV生產(chǎn)驗證。根據(jù)開展測試的實驗機構，可以分為客戶測試、內(nèi)部測試和第三方測試等[2]。

DFMEA將測試手段分為通過測試、失效測試和老化測試。這三種測試方法之間究竟有什么聯(lián)系和區(qū)別呢？手冊并沒有明確地定義，有必要進行進一步的探索和研究。

溯源FMEA的改版歷史，可以發(fā)現(xiàn)這三種測試分類的提法最早出現(xiàn)在AIAG FMEA手冊2008年第4版中。2019年，AIAG和VDA在發(fā)布合版的時候，作為妥協(xié)的產(chǎn)物，只借用AIAG三種測試分類的名稱，卻省略了說明，如表2所示。

在新版FMEA的作者作出進一步勘誤和說明之前，比較合理的辦法，是拓展使用AIAG FMEA手冊2008年第4版中的定義。

3? ? 探測效果和典型案例

考察2008版本FMEA，發(fā)現(xiàn)對于測試分類的定義的可操作性仍然是很薄弱的，有必要作進一步的分析和歸納。研究證明，三種方法的聚焦點和數(shù)據(jù)完備程度不一樣。數(shù)據(jù)越充分，探測效果越好，探測度就越好（得分就越低）。

3.1? ? 通過測試（Pass-Fail Testing）

只測試和驗證樣件的功能，而不再進行任何延伸測試。如果樣品通過測試，就判定為“通過”;如果沒有通過測試，就判定為“不通過”[3]。其判斷邏輯如圖1所示。

電通斷測試是通過測試比較典型的案例。電通斷測試并不記錄每一個回路的電阻，只測試回路電阻是否在閾值以下（閾值設置典型值：100 Ω），如果測試全部通過，就打印電測試合格標簽，如圖2所示?？梢钥闯?，閾值100 Ω是比較大的，有些線束缺陷根本測試不出來，例如電線的壓接電阻過大（毫歐級別的變化）、絕緣層的破損（需要加高壓測試絕緣電阻）。

所以，通過測試的控制指向為產(chǎn)品的性能指標。通過測試的優(yōu)點：快速進行符合性判斷、衡量和評價;通過測試的缺點：定性分析，得到的數(shù)據(jù)少，比較難以開展進一步的產(chǎn)品改進。通過測試獲得的數(shù)據(jù)為布爾類型（0，1）。

3.2? ? 失效測試（Test to Failure Testing）

樣件需要經(jīng)過持續(xù)加載測試或者加速測試，直到樣品失效產(chǎn)生后，測試才停止。然后可以展開對故障的根本原因調(diào)查，如有必要，改進設計以消除原因[3]。

3.2.1? ? 持續(xù)增加載荷測試

載荷持續(xù)增加，直到樣件失效（出現(xiàn)裂縫、斷裂、失去功能），考察其極限性能，如圖3所示。

拉力測試是失效測試比較典型的案例。拉力持續(xù)增加載荷直到試棒斷裂，如圖4所示。

3.2.2? ? 加速壽命測試

采用高于失效的載荷水平來進行循環(huán)加速測試，可以在比較少的循環(huán)中揭露系統(tǒng)中的瓶頸和發(fā)現(xiàn)失效形態(tài)，如圖5所示。

典型的示例測試包括HALT（Highly Accelerated Life Test，高度加速壽命測試）。HALT可能會檢測出“裕度”大小、組件較弱等設計問題，如圖6所示。HALT尤其在電子信息行業(yè)比較常見，因為電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代特別快，常規(guī)的壽命測試耗時太長，將可能錯過抓住市場機會。

失效測試的控制指向為載荷水平。失效測試的優(yōu)點：能夠快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的弱點和失效形態(tài)，有利于開展產(chǎn)品改進;失效測試的缺點：破壞性試驗，耗費樣品費用。失效測試獲得的數(shù)據(jù)類型為少量數(shù)值。

3.3? ? 老化測試（Degradation Testing）

樣品經(jīng)過一段時間（或周期）的測試，并測量指定的關鍵特性，然后繼續(xù)測試，并在一段時間（或測試周期）后再次測量相同的特性等等[3]。它允許查看關鍵特性隨時間/周期而變化的趨勢——也就是“退化”，如圖7所示。

根據(jù)USCAR 21開展的壓接加速環(huán)境暴露測試ENV（Accelerated Environmental Exposure Test），是一個比較典型的老化測試案例。短試樣（圖8）在經(jīng)過熱沖擊循環(huán)和溫濕度循環(huán)后，可以觀察到壓接電阻的變化趨勢，如圖9所示。

老化測試的控制指向為性能指標的變化趨勢。老化測試的優(yōu)點：此檢測方法的排名比前兩個更好，因為它可以檢測到樣品特性的變化趨勢;老化測試的缺點：時間比較長。老化測試獲得的數(shù)據(jù)類型為測試前中后的數(shù)值，數(shù)據(jù)量相對較多。

4? ? 結語

FMEA作為提高質(zhì)量、降低風險的工具，在工業(yè)企業(yè)中有著廣泛應用。新版DFMEA已于2019年6月發(fā)布，它基于探測效果，對測試手段進行了區(qū)別于常規(guī)的分類。通過測試著力于產(chǎn)品性能指標的直接量測，得到布爾邏輯數(shù)值（0=不通過，1=通過）;失效測試的控制焦點放在調(diào)整載荷水平，以期快速出現(xiàn)失效，找到系統(tǒng)的弱點來加以改進;老化測試持續(xù)測量和記錄系列實驗中的關鍵特性，得到更加完備的數(shù)值，它的探測效果比前兩個更好，因為它能檢測到樣品關鍵特性的變化趨勢。明確FMEA三種測試方法的含義和典型案例，將有利于從業(yè)者更有效地選擇測試手段，更加明確地對探測度進行評分，從而降低設計風險。

[參考文獻]

[1] AIAG VDA.Failure Mode and Effects Analysis：1st Edition 2019[S]，2019.

[2] 浦維達.汽車可靠性工程[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[3] Elsmarquality Forum[EB/OL].[2020-04-06].https：//elsmar.

com/elsmarqualityforum.

收稿日期：2020-04-10

作者簡介：陳水華（1971—），男，湖南邵陽人，工程師，研究方向：機電一體化。