曾佳俊,龍滬強(qiáng)
(上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,上海200240)
電子元器件是構(gòu)成電子系統(tǒng)或電子設(shè)備的最小單元,它直接影響電子系統(tǒng)的技術(shù)性和可靠性[1]。電子系統(tǒng)與整機(jī)的質(zhì)量需求促進(jìn)了電子元器件的質(zhì)量管理發(fā)展。當(dāng)前,國內(nèi)外企業(yè)的電子器件質(zhì)量管理方法存在著許多不足,部分企業(yè)將電子元器件質(zhì)量把關(guān)的重點放在IQC 進(jìn)料檢驗;而部分企業(yè)則執(zhí)行統(tǒng)一的可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn),毫無變通;另一些則干脆沒有單獨的電子元器件可靠性分析,只是在項目初期對產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用性的測試,一旦器件發(fā)生失效時,要么更換器件,要么干脆更換新供應(yīng)商。這些方法不僅準(zhǔn)確性差,耗費的時間長,而且過于片面,缺乏理論依據(jù),工程師往往只知道需要這么做驗證,但卻不知道為什么要這么做,那么即使是做錯了也沒法及時糾正。
六西格瑪通過系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務(wù)改進(jìn)流程,實現(xiàn)無缺陷的過程設(shè)計,并對現(xiàn)有過程實施DMAIC 方法,用來消除過程缺陷和無價值作業(yè),從而提高質(zhì)量、降低成本、縮短運轉(zhuǎn)周期,達(dá)到客戶完全滿意,增強(qiáng)企業(yè)競爭力[2]。
DMAIC 是指界定(DEFINE)、測量(MEASURE)、分析(ANALYZE)、改進(jìn)(IMPROVE)、控制(CONTROL)5 個階段構(gòu)成的過程改進(jìn)方法,一般用于對制造過程、服務(wù)過程以及工作過程等進(jìn)行改進(jìn)。在器件質(zhì)量管理中也可以引入DMAIC 方法,對產(chǎn)品中的關(guān)鍵器件可靠性依次進(jìn)行鑒別、測試、分析、改進(jìn)及長效控制,從而盡可能地消除缺陷、節(jié)省成本,DMAIC 流程如圖1 所示。
圖1 DMAIC 流程圖
這里所說的鎮(zhèn)流器項目質(zhì)量目標(biāo)是:在電子器件成本降低10%的同時,產(chǎn)品在保修期5 年30 000 h 內(nèi),整機(jī)可靠度為90%的質(zhì)保目標(biāo)保持不變。
此階段需要找出產(chǎn)品中的關(guān)鍵器件,這樣即縮小了范圍提高了經(jīng)濟(jì)性,又能覆蓋產(chǎn)品的可靠性要求。這里采用MEOST 方法,即多環(huán)境強(qiáng)化應(yīng)力試驗技術(shù),是一種利用多重應(yīng)力組合加速激發(fā)產(chǎn)品損耗,以實現(xiàn)快速檢測出產(chǎn)品潛在缺陷的可靠性測試技術(shù)[3]。MEOST 典型應(yīng)力水平如圖2 所示,本例中MEOST 應(yīng)力設(shè)定方案如圖3 所示。
實驗結(jié)果:開關(guān)MOSFET、電解電容在兩個樣品中均有失效。分析其失效模式是由溫度應(yīng)力造成,它們是整個產(chǎn)品的質(zhì)量關(guān)鍵器件。(后面步驟均以MOSFET 為例敘述。)
圖2 MEOST 典型應(yīng)力水平
圖3 MEOST 應(yīng)力設(shè)定方案
本階段需要依據(jù)工作條件制定有效的可靠性測試計劃對關(guān)鍵器件進(jìn)行壽命評估。以國標(biāo)GB2689為基礎(chǔ),結(jié)合實際工作條件進(jìn)行了溫度加速壽命試驗的設(shè)計,此標(biāo)準(zhǔn)適用于電子元器件產(chǎn)品的恒定應(yīng)力壽命試驗和加速壽命試驗,用來定量地分析產(chǎn)品的可靠性[4]。MOSFET 開關(guān)晶體管具體測試條件與試驗結(jié)果如表1 所示,其中C 代表刪失,即試驗時間內(nèi)沒有失效發(fā)生;F 代表失效。
使用MINITAB 中的加速壽命試驗工具(極大似然估計方法)對MOSFET 的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如表2 所示。
從表2 可知,在60 ℃下,有3.7%MOSFET 失效的時間估計值是15 353 h,而在30 000 h 以后仍然可以使用的MOSFET 的比例是81.34%,小于所要求的96.3%可靠度。所以此MOSFET 不能符合公司的可靠性要求,需要進(jìn)行分析和改進(jìn)。
分析階段需要對器件失效原因進(jìn)行判斷,以確定需要改進(jìn)的方向。分析失效機(jī)理使用的工具主要包括X 光、超聲波、掃描電鏡、熱點掃描等,同時,針對不同關(guān)鍵元器件的失效現(xiàn)象,需要研究其失效機(jī)理,從而可以找出需要進(jìn)行改進(jìn)的工藝流程、測試方法或者注意事項[5]。本例對失效品#17,#18,#62 進(jìn)行了如下分析:
(1)組成團(tuán)隊并采用頭腦風(fēng)暴的方法列出了導(dǎo)致失效所有潛在原因,可能的潛在原因:封裝內(nèi)分層,器件過電應(yīng)力損傷,濕氣沉積。
(2)對#17,#62 進(jìn)行超聲波掃描檢查,檢查結(jié)果如圖4 所示,這里沒有發(fā)現(xiàn)分層或空洞存在于封裝之中,排除了由于分層現(xiàn)象而產(chǎn)生的內(nèi)部濕氣影響芯片表面漏電的可能性。
表1 MOSFET 的加速壽命試驗條件與結(jié)果
表2 MOSFET 的加速壽命試驗結(jié)果輸出表
表3 烘烤前后參數(shù)對比
圖4 超聲波掃描檢查結(jié)果
(3)對#17,#62 進(jìn)行化學(xué)腐蝕法剝離環(huán)氧樹脂封裝,檢查了芯片表面,并無明顯損傷;隨后將裸片進(jìn)行了參數(shù)測試,發(fā)現(xiàn)其參數(shù)依然失效。
(4)由于漏電流的增大也有可能是因為濕氣的影響,因此,我們對#18 號失效品進(jìn)行了150C,3.5 h的烘烤,烘烤前后參數(shù)測試結(jié)果見表3 所示,可以看到烘烤后失效品參數(shù)已恢復(fù)正常。表3 中IDSS 是MOSFET 漏源極的漏電流,規(guī)格上限為10 μA;BVDSS 是漏源極的耐壓,規(guī)格下限為600 V;VTH 是門極閾值電壓,規(guī)格范圍為2 V ~4 V;RDS 是漏源極的導(dǎo)通電阻,規(guī)格上限為2.5 Ω。
(5)為了進(jìn)一步確認(rèn)根本原因,對烘烤恢復(fù)正常后的#18 失效品進(jìn)行了高壓蒸煮試驗,試驗條件依據(jù)JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)101-A。發(fā)現(xiàn)高壓蒸煮后樣品漏電流再次增大。因此可以大致確定外部濕氣侵入是導(dǎo)致樣品漏電流惡化的根本原因,也可以說是由于封裝材料(這里為環(huán)氧樹脂)氣密性差所致。
在改進(jìn)階段需要找出影響過程輸出(器件質(zhì)量)的關(guān)鍵因子,六西格瑪中推薦使用試驗設(shè)計方法(DOE):設(shè)計實驗是指根據(jù)預(yù)先確定的計劃,對認(rèn)為會影響實驗結(jié)果的一個或者多個變量進(jìn)行確認(rèn)和控制的實驗[6]。用部分析因試驗尋找有利于輸出的因素水平,用響應(yīng)曲面方法建立非線性影響存在時的數(shù)學(xué)模型并找出最優(yōu)化設(shè)置[7]。
在進(jìn)行試驗之前,首先需要確定本次試驗的因子與輸出響應(yīng):根據(jù)第3 步分析的結(jié)果,可能導(dǎo)致環(huán)氧樹脂的氣密性差的原因只可能存在于器件的塑封過程中,而影響塑封效果的因子有:A 注塑溫度、B 注塑壓力、C 注塑時間、D 注塑材料、E 注塑材料預(yù)熱時間,只要使它們在(-1,0,1)3 個極限狀態(tài)中變化,觀察輸出就可以找到關(guān)鍵因子了。在分析階段可以看到,高溫蒸煮試驗可以有效地篩選出封裝氣密性較差的器件,因此可以將DOE的輸出響應(yīng)Y 設(shè)定為高溫蒸煮后良率。表4 為本研究中試驗設(shè)計輸入輸出的設(shè)定方法,每組試驗的樣品數(shù)量為200。
表4 試驗設(shè)計參數(shù)與狀態(tài)表
本研究使用了MINITAB 進(jìn)行試驗設(shè)計工作,選擇了2 個區(qū)組,即在兩天進(jìn)行試驗,其目的在于同一區(qū)組內(nèi)的各試驗單元差異是比較小的,如此可以將可能存在的區(qū)組間的差異分隔出來,從而大大減少有可能存在的未知變量對系統(tǒng)的影響。兩個區(qū)域是指兩天,一天視為一個區(qū)域;此外還設(shè)定了每組8 個中心點進(jìn)行重復(fù)試驗,它的好處是為了進(jìn)行完全相同條件下的重復(fù),從而能夠估計出試驗隨機(jī)誤差。部分析因試驗最終篩選出關(guān)鍵因子為A:注模溫度與B:注模壓力。
接著進(jìn)行響應(yīng)曲面實驗,采用的是中心復(fù)合設(shè)計,這里的輸入因子只剩下前面篩選出來的A:注模溫度和B:注模壓力,但其輸出響應(yīng)Y、試驗條件和方法與之前部分析因試驗一致,試驗數(shù)據(jù)見表5,這里標(biāo)準(zhǔn)序是依據(jù)輸入因子組合由小到大的排列順序,而運行序則是實際進(jìn)行試驗的順序,它們是由MINITAB 分配的,這樣做是為了確保試驗的隨機(jī)性,防止那些對于操作者未知的、但也許會影響響應(yīng)變量的某種系統(tǒng)的干擾;點類型是指各試驗組合所代表的狀態(tài)點。
表6 ~表8 為響應(yīng)曲面試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果,表中常量代表的是回歸方程的常數(shù)項,從表6 可知:由于對應(yīng)輸入因子A 和B 及其乘積的p-value 都<0.05,可以判斷他們都是對輸出有顯著影響的參數(shù)。
表5 響應(yīng)曲面試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表
表6 模型計算結(jié)果
S=0.480 141 PRESS=9.767 61
R-Sq=93.69% R-Sq(預(yù)測)=66.59% R-Sq(調(diào)整)=89.75%
對于Response-Y 的方差分析
表7 輸出響應(yīng)的方差分析
表8 輸出響應(yīng)的回歸系數(shù)(未編碼單位)
Response-Y 的異常觀測值
擬合值 標(biāo)準(zhǔn)化
觀測值 標(biāo)準(zhǔn)序Response-Y 擬合值 標(biāo)準(zhǔn)誤 殘差 殘差
9 9 97.000 97.618 0.401 -0.618 -2.34R
R 表示此觀測值含有大的標(biāo)準(zhǔn)化殘差
Response-Y 的估計回歸系數(shù),使用未編碼單位的數(shù)據(jù)
表7 中,Seq SS 和Adj SS 在方差分析中指的是連續(xù)殘差平方和與校正后殘差平方和,代表各因子所能導(dǎo)致的總變異;Adj MS 指調(diào)整方差,它通過調(diào)整平方和除以自由度計算得出,F(xiàn) 值是回歸方程的方差齊性檢驗值,用來判斷兩總體檢驗有差異,這里p-value同樣是用作假設(shè)檢驗的判定依據(jù)。由表7 可知:(1)對應(yīng)回歸項檢測的是試驗?zāi)P偷挠行?,他的p-value 為0.000,表明需要拒絕原假設(shè),此試驗?zāi)P褪怯行У?(2)對應(yīng)失擬項的p-value 為0. 086 >0.05,無法拒絕原假設(shè),判斷此模型沒有發(fā)生失擬。
由表8 可以得到:這些是由MINITAB 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)估計出的回歸方程系數(shù),可以確定回歸方程為,Y=-607.73+4.25×A+12.61×B-0.012×A×A-0.12×B×B。
有了回歸方程,再利用MINITAB 提供的響應(yīng)變量優(yōu)化器,就可以直接獲得最佳點的設(shè)置(此時輸出響應(yīng)結(jié)果最接近期望值,這里期望值為100%,代表高溫蒸煮后無失效):由圖5 可以看到,左側(cè)上下曲線分別代表輸入因子A 與復(fù)合合意性、輸出響應(yīng)Y 的取值,而右側(cè)上下曲線分別代表了輸入因子B與復(fù)合合意性、輸出響應(yīng)Y 的取值,上方的兩個圖代表當(dāng)因子A、B 單獨變化時,復(fù)合合意性的變化曲線,下方的兩個圖代表了輸出響應(yīng)值隨著A、B 的變化曲線,復(fù)合合意性指的是多個輸出響應(yīng)結(jié)合后的合意性,它表示了輸入因子影響輸出響應(yīng)的程度;由優(yōu)化器得到的輸出響應(yīng)最優(yōu)值為Y=99.9575%,此時A=173 ℃,B=54 kg,即為最優(yōu)設(shè)置。
為了獲得預(yù)測結(jié)果的相應(yīng)置信區(qū)間,利用MINITAB 提供的響應(yīng)變量優(yōu)化器,可以直接獲得最佳點的設(shè)置及最優(yōu)值(此時輸出響應(yīng)結(jié)果最接近期望值):由圖5 可知曲線的最大值Y=99.957 5%,此時A=173 ℃,B=54 kg,為最優(yōu)設(shè)置。
圖5 響應(yīng)變量優(yōu)化器輸出結(jié)果圖
為了獲得預(yù)測結(jié)果的相應(yīng)置信區(qū)間,利用MINITAB 中響應(yīng)曲面分析工具對最優(yōu)點進(jìn)行預(yù)測計算,即可得到預(yù)測值、預(yù)測值的標(biāo)準(zhǔn)誤差、預(yù)測值的置信區(qū)間和單個觀測值的置信區(qū)間(見表9)。
表9 最優(yōu)點置信區(qū)間預(yù)測計算
本次試驗得出的最佳值為99.957 5%,離目標(biāo)值100%已經(jīng)非常接近了。為了保證改進(jìn)的有效性,需在最佳點A=173 ℃,B=54 kg 處進(jìn)行了驗證試驗(次數(shù)通常要3 次以上,見表10),試驗結(jié)果的平均值為Ym=99.833 3%??梢钥闯銎骄德淙肓?5%預(yù)測區(qū)間內(nèi),說明本次試驗設(shè)計的最優(yōu)設(shè)置有效。
表10 最佳設(shè)置點的試驗驗證結(jié)果
對于MOSFET SD4N60 的改進(jìn)結(jié)果,我們?nèi)匀徊捎眉铀賶勖囼灧治龇椒ㄟM(jìn)行其可靠性的估計與驗證,測試方案與數(shù)據(jù)分析與之前相同,分析結(jié)果見表11 所示。
表11 改進(jìn)后MOSFET 加速壽命試驗結(jié)果輸出表
從表中可以看到改進(jìn)后的MOSFET 在60 ℃下,有3.7%失效發(fā)生的時間估計值是92 219 h,而30 000 h以后存活率為99.98%,大于所要求的96.3%。因此改進(jìn)后的MOSFET 產(chǎn)品可以被引入。
對于改進(jìn)階段找出的改進(jìn)方法,需要進(jìn)行有效控制,常用的六西格瑪工具有控制計劃、FMEA 與控制圖。在控制階段有三個要素[8]:過程改進(jìn)成果的文件化;建立過程控制計劃;持續(xù)的過程測量。
這里根據(jù)改進(jìn)成果對FMEA(故障模式影響分析)表進(jìn)行了更新,對塑封的失效模式風(fēng)險進(jìn)行了再評分,記錄了有效的措施,從而給以后的故障分析留下了依據(jù),見表12。
此外,持續(xù)的過程測量是保證過程穩(wěn)定的關(guān)鍵。六西格瑪中推薦單值控制圖工具進(jìn)行異常波動的觀察與判別(見圖6),根據(jù)MINITAB 分析結(jié)果,本例中沒有發(fā)現(xiàn)有異常波動,生產(chǎn)工藝正常穩(wěn)定。
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圖6 單值控制圖
本文通過介紹DMAIC 方法在電子元器件質(zhì)量管理中的應(yīng)用實例,分析了各個過程中六西格瑪工具的使用方法及其意義,從側(cè)面印證了了DMAIC 方法在器件管理中的可行性及優(yōu)勢。
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