高成本效益的實(shí)用系統(tǒng)方法 解決QFN-mr BiCMOS器件單元測(cè)試電源電流失效問(wèn)題

摘要

本文探討一套解決芯片單元級(jí)電測(cè)試過(guò)程電源電流失效問(wèn)題的方法。當(dāng)采用QFN-MR(四邊扁平無(wú)引線–多排引腳封裝)的BiCMOS (雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)芯片進(jìn)入量產(chǎn)預(yù)備期時(shí)，電源電流失效是一個(gè)進(jìn)退維谷的制造難題。

本文介紹了數(shù)種不同的失效分析方法，例如，數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)、流程圖分析、統(tǒng)計(jì)輔助分析和標(biāo)桿分析，這些分析方法對(duì)確定問(wèn)題的根源有很大的幫助，然后使用統(tǒng)計(jì)工程工具逐步濾除可變因素。

本項(xiàng)目找到了電流失效問(wèn)題的根源，并采用了相應(yīng)的解決措施，使電源電流失效發(fā)生率大幅降低，與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手旗鼓相當(dāng)。最終，這個(gè)項(xiàng)目只通過(guò)優(yōu)化公司內(nèi)部資源，就提高了封裝測(cè)試總體良率，而沒(méi)有增加額外制造成本。

這些改進(jìn)措施還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了客戶(hù)投訴質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。在全部解決措施落實(shí)到位后，隨著量產(chǎn)成功，該項(xiàng)目節(jié)省制造成本38.25萬(wàn)美元。

1.0 前言

為了能夠在技術(shù)快速變化的半導(dǎo)體工業(yè)中生存，不管是企業(yè)內(nèi)部用戶(hù)，還是外部市場(chǎng)客戶(hù)，半導(dǎo)體廠商必須在客戶(hù)心目中樹(shù)立良好的形象，這是半導(dǎo)體企業(yè)保持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和品牌價(jià)值所面臨的最大挑戰(zhàn)。“滿(mǎn)意度”是建立良好客戶(hù)關(guān)系的關(guān)鍵要素。相反，不能讓客戶(hù)滿(mǎn)意的業(yè)務(wù)是無(wú)法持續(xù)下去的。

QFN-MR(四邊扁平無(wú)引線–多排引腳封裝)是意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠產(chǎn)量的最大的產(chǎn)品，對(duì)公司財(cái)務(wù)業(yè)績(jī)貢獻(xiàn)率很高（按照全球評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)）。

不過(guò)，為同一客戶(hù)生產(chǎn)同一產(chǎn)品，有些外包廠(外包廠1和外包廠2)在產(chǎn)品質(zhì)量上卻更勝一籌，這迫使卡蘭巴工廠必須自我改進(jìn)。

產(chǎn)品1是QFN-MR產(chǎn)品，在量產(chǎn)預(yù)備階段，電測(cè)試電源電流總失效率不合格，總良率損失達(dá)到5.2%。產(chǎn)品 1是意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠的一個(gè)新產(chǎn)品線，需要給大客戶(hù)留下交貨快的印象，但是不能犧牲產(chǎn)品質(zhì)量，因此，需要找到造成產(chǎn)品缺陷的主要原因。事實(shí)上，解決這些問(wèn)題將會(huì)給卡蘭巴工廠量產(chǎn)類(lèi)似產(chǎn)品平臺(tái)帶來(lái)改良機(jī)會(huì)。

1.1產(chǎn)品1配置

產(chǎn)品1是一款采用VPLGA封裝的BiCMOS芯片，用于控制硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)運(yùn)行。這里VPLGA代表超薄格柵陣列四邊扁平無(wú)引線–多排引腳塑料封裝，封裝厚0.90 mm，引腳88個(gè)。目標(biāo)應(yīng)用包括纖薄型電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)控制。

圖1是產(chǎn)品1的封裝示意圖。

圖1：VPLGA88產(chǎn)品配置 / POD

1.2BiCMOS半導(dǎo)體制造技術(shù)

圖2：BiCMOS半導(dǎo)體制造技術(shù)

BiCMOS芯片由五層組成。NiPd (鎳鈀金)是最后一層金屬層，互連線就打在這一層上。

1.3 QFN-MR無(wú)膠帶引線框架封裝

無(wú)膠帶四邊扁平無(wú)引線封裝是一種引線框架封裝載體(平臺(tái))，利用后工序蝕刻，在載體上形成引腳面積。與其它的類(lèi)似微型封裝相比，無(wú)膠帶QFN封裝給意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠帶來(lái)更好實(shí)惠，例如，引線框架成本低，支持多排引腳，兼容銅線，無(wú)膠帶載體，晶片切割速度快。

圖3：無(wú)膠帶QFN引線框架配置

1.4 產(chǎn)品1封測(cè)全部流程

圖4：1.4 產(chǎn)品1封裝流程

圖4所示是產(chǎn)品1的封裝流程，該流程在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和認(rèn)證測(cè)試階段制訂，基于現(xiàn)有封裝流程，采用相同的芯片制造技術(shù)和材料。

1.5 產(chǎn)品1線路應(yīng)力表現(xiàn)

圖5：電源電流抑制比對(duì)比

在產(chǎn)品1量產(chǎn)預(yù)備初期，最終測(cè)試的電源電流抑制比是5.20%，遠(yuǎn)超外包廠的0.35%。上面的柱形圖是意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠與外包廠的電源電流抑制比的比較圖，兩者之間的巨大差距對(duì)意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠的未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展構(gòu)成重大威脅。

1.6 標(biāo)桿分析和比較分析

運(yùn)用標(biāo)桿分析和比較分析法尋找意法半導(dǎo)體卡蘭巴與外包廠在產(chǎn)品制造上的不同之處。需要說(shuō)明的是，外包廠在水刀工序后還有烘烤工序。

圖6：意法半導(dǎo)體與外包廠的制造流程比較

在開(kāi)始分析的時(shí)候，我們發(fā)現(xiàn)烘烤工序是主要不同之處。在清洗等濕法工序后，需要進(jìn)行烘烤工序，除掉單元內(nèi)的濕汽。初步分析結(jié)果顯示，烘烤是最終測(cè)試電源電流失效的主要因素，就是這個(gè)巨大發(fā)現(xiàn)讓項(xiàng)目組開(kāi)始專(zhuān)注這個(gè)工序的探究。

同樣地，項(xiàng)目組還做了微流程圖，以確定項(xiàng)目探究范圍。

圖7：微流程圖分析/封裝流程圖

1.7 問(wèn)題描述

在量產(chǎn)預(yù)備期，產(chǎn)品1電源電流抑制比是 5.20%，被歸為封裝工序固有濕法工序造成的潮濕性風(fēng)險(xiǎn)。

2.0 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料:

§水刀

§QFN無(wú)膠帶引線框架封裝

§BiCMOS晶片

§塑料單元

§檢查與測(cè)試設(shè)備

2.2 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)放在主要根源即水刀工序上:

確定問(wèn)題根源并采取相應(yīng)的糾正措施至關(guān)重要，研究方向主要放在濕法工序上，基于微流程圖分析，水刀工序最有可能是潛在變異的根源。

2.3 剖解水刀工序:

為更好地了解水刀工序，需要逐步分析記錄點(diǎn)，觀察從材料制備、裝卸到檢查的整個(gè)單元工序。

圖8：水刀工序詳細(xì)流程

2.4 識(shí)別輸入變化:

運(yùn)用輸入輸出方法深挖變化因素。經(jīng)過(guò)深入研究，42個(gè)KPIV變量被確定為重要的X因素，如圖9所示。(詳圖見(jiàn)附錄A)

圖9：輸入-輸出工作單

2.5 優(yōu)先考慮因果關(guān)系:

運(yùn)用因果(CE)矩陣確立輸入變量與X因素的內(nèi)部關(guān)系，如圖10所示。

(詳圖見(jiàn)附錄B)

圖10：因果矩陣

2.6 FMEA:

項(xiàng)目組還運(yùn)用FMEA故障模式和影響分析法重新考慮變量關(guān)系。因?yàn)殡娫措娏鳑](méi)有故障模式，所以考慮從因果矩陣導(dǎo)出的全部KPIV變量，如圖11所示。(詳圖見(jiàn)附錄C)

圖11：故障模式和因果矩陣

2.7 兩個(gè)速效方案:

在完成上面的分析后，立即發(fā)現(xiàn)兩個(gè)(2)速效方案。

圖12：臨時(shí)措施矩陣

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

A.流程圖

·這個(gè)項(xiàng)目覆蓋18個(gè)流程工序。

·15個(gè)工序或83%是VA（增值），3個(gè)工序或17%是(無(wú)增值)

·未發(fā)現(xiàn)隱藏工廠

·在輸入-輸出工單中發(fā)現(xiàn)42個(gè)潛在X’因素。

B.因果矩陣

·運(yùn)用因果優(yōu)先性分析法找到5個(gè)潛在的X因素。

C.FMEA

·因?yàn)殡娫措娏髯畛鯖](méi)有被識(shí)別為故障模式，所以5個(gè)潛在X因素都被視為高風(fēng)險(xiǎn)。

D.速效方案

·發(fā)現(xiàn)2個(gè)速效方案

3.1 驗(yàn)證方案

圖13：驗(yàn)證方案矩陣

•運(yùn)用比例測(cè)驗(yàn)法驗(yàn)證GAP分析法產(chǎn)生的兩個(gè)(2)項(xiàng)目(烘烤測(cè)試)

•運(yùn)用混合水平DOE法驗(yàn)證三個(gè)X。

(詳圖見(jiàn)附錄D)

3.2 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

通過(guò)觀察圖14的統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，水刀后面的烘烤工序影響電源電流抑制比。

實(shí)用性結(jié)論:電源電流抑制在無(wú)水刀工序時(shí)較低，R-square值為22.78%，可信度高于95%。如果不采用水刀工序，電源電流抑制比較低。

圖14：假設(shè)檢驗(yàn)

3.3 驗(yàn)證方案

圖15：驗(yàn)證結(jié)果

驗(yàn)證結(jié)果(圖15)顯示，電源電流抑制比受水刀后面的燒烤工序影響，因此，如果無(wú)水刀工序，則抑制比會(huì)降低。

根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵X因素，例如，輸送帶速度、烘烤溫度和水刀壓強(qiáng)，項(xiàng)目小組運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步改進(jìn)水刀工序。

(詳圖見(jiàn)附錄E)

3.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)

運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)法分析輸送帶速度、烘烤溫度和水刀壓強(qiáng)參數(shù)，目標(biāo)是確定和設(shè)置使電源電流失效率最小化的最優(yōu)參數(shù)。

圖16所示是試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，用于優(yōu)化水刀關(guān)鍵參數(shù)。

圖16：試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果

(詳圖見(jiàn)附錄F)

從試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果看，當(dāng)P值是0.0231時(shí)，壓強(qiáng)是影響電源電流抑制比的主要因素。當(dāng)R-Square值是0.8997時(shí)，壓強(qiáng)與速度交互作用(P值是0.0231)、速度與溫度交互作用(P值是0.0242)、壓強(qiáng)與溫度交互作用(P值0.0405)是影響電源電流抑制比的主要因素。

根據(jù)圖17預(yù)測(cè)剖析圖給出的最優(yōu)設(shè)置，最大理想?yún)?shù)是在壓強(qiáng) = 200psi, 速度 = 3.5m/min，溫度 = 50 degC時(shí)取得的，在這些參數(shù)條件下，電源電流抑制比為-0.238+/-1.156，泄漏為0.414+/-1.84，金屬毛刺為1.338+/- 4.63。

在P值 = 0.0231時(shí)，壓強(qiáng)是影響電源電流失效的主要因素；在P值 = 0.0231時(shí)，壓強(qiáng)與速度交互作用也是主要因素；在P值 = 0.0242時(shí)，速度與溫度交互作用是主要因素； 在P值 = 0.0405時(shí)，壓強(qiáng)與溫度交互作用是主要因素，可信度高于95%。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P值 > 0.05時(shí)，這些主要因素及交互作用不影響泄漏比和金屬毛刺。

圖17：預(yù)測(cè)刻畫(huà)器剖析表

觀察預(yù)測(cè)刻畫(huà)器報(bào)表不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓強(qiáng)為200psi，速度為3.5m/min，溫度為50 degC時(shí)，電源電流抑制比、泄漏和金屬毛刺三個(gè)參數(shù)取得最優(yōu)值。

3.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)結(jié)論

在P值 = 0.0231時(shí)，壓強(qiáng)是影響電源電流失效的主要因素；在P值 = 0.0231時(shí)，壓強(qiáng)與速度交互作用也是主要因素；在P值 = 0.0242時(shí)，速度與溫度交互作用是主要因素； 在P值 = 0.0405時(shí)，壓強(qiáng)與溫度交互作用是主要因素，可信度高于95%。

試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P值 >0.05時(shí)，這些主要因素及交互作用不影響泄漏和金屬毛刺。

圖18：結(jié)果驗(yàn)證矩陣

(詳圖見(jiàn)附錄G)

3.6 水刀是如何影響產(chǎn)品1電源電流失效的？

了解失效機(jī)制知識(shí)有助于提高統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性:

•封裝滲透率或高速水分子引起的摩擦磨損效應(yīng)隨水刀壓強(qiáng)升高而提高。

•高溫鼓風(fēng)機(jī)(相同壓強(qiáng))使氣體分子動(dòng)能更強(qiáng)，增強(qiáng)摩擦磨損效應(yīng)。

•膠帶速度效應(yīng)最有可能影響摩擦磨損（接觸速度），不過(guò)只限于鼓風(fēng)機(jī)區(qū)，無(wú)水環(huán)境會(huì)逐漸消耗摩擦磨損效應(yīng)。

3.7 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

意法半導(dǎo)體卡蘭達(dá)工廠取得0.35%的電源電流抑制比(外包廠基準(zhǔn))，較試驗(yàn)前的5.2%有巨大改進(jìn)。

圖19：電源電流抑制比趨勢(shì)分析

圖20：意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠與外包廠比較表

總結(jié):

a.泄漏

-意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠(0.202%)好于外包廠1的生產(chǎn)批次(0.295%)，外包廠2為 0.178%.

b.電源電流

-意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠(0.674%)好于外包廠2的生產(chǎn)批次(1.25%)，外包廠1為 0.314%.

c.Over-all short (SBL 0.5%)

-意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠(0.071%)好于外包廠1的生產(chǎn)批次(0.218%)和外包廠2的1.261%。

3.8 改正預(yù)防措施

為將取得的改進(jìn)效果保持下去，需要落實(shí)下面的措施并密切監(jiān)視落實(shí)情況：

圖21：改正預(yù)防措施矩陣

3.9 文檔資料

所有分析活動(dòng)和知識(shí)都寫(xiě)成文檔保存，以便在產(chǎn)品量產(chǎn)期間參考?？刂品桨?、FMEA、作業(yè)指導(dǎo)、包括烘烤的新流程均制成文檔保存。

圖22：文檔資料名單

3.10 推廣方案

為了最大限度利用這個(gè)研發(fā)項(xiàng)目的價(jià)值，需要將項(xiàng)目組在研究過(guò)程中所積累的全部知識(shí)經(jīng)驗(yàn)推廣到其它的QFN-MR產(chǎn)品制造過(guò)程。

圖23：推廣表

3.11 成本節(jié)省

在對(duì)改正措施的效果進(jìn)行驗(yàn)證后，項(xiàng)目組還估算了這些措施可以節(jié)省的成本。

經(jīng)意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠IE核準(zhǔn)，總計(jì)節(jié)省成本38.251萬(wàn)美元。

4.0 結(jié)論

本文論述了深度分析統(tǒng)計(jì)方法可有效解決最終測(cè)試過(guò)程中的電源電流失效問(wèn)題。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析知識(shí)和對(duì)數(shù)據(jù)和缺陷現(xiàn)象的了解，有助于找到缺陷的真正根源。綜合試驗(yàn)設(shè)計(jì)降低了水刀工藝對(duì)電流失效的負(fù)面影響。引入烘烤工序顯著降低了單元電測(cè)試期間的電流抑制比發(fā)生率。失效率連續(xù)降低以及產(chǎn)品電測(cè)試良率總體提高，充分證明了驗(yàn)證糾正措施的正確性及其效果。

5.0 建議

建議長(zhǎng)期落實(shí)已認(rèn)可的糾正措施，以穩(wěn)定電源電流性能。六個(gè)西格馬方法論(逐步深挖問(wèn)題，識(shí)別并驗(yàn)證問(wèn)題根源，在使用現(xiàn)有資源且不大幅增加成本的前提下取得大幅改進(jìn))是解決制造難題的有效手段，在解決類(lèi)似問(wèn)題中應(yīng)該推廣這種方法。同時(shí)還推薦連續(xù)標(biāo)桿分析法，這有助于企業(yè)改進(jìn)流程，躋身業(yè)界前列。

6.0 鳴謝

本文作者向下列人士致以最真誠(chéng)的謝意: Jun Bernabe、Mariver Limosinero、Addonyz Antonio以及封裝部門(mén)的全體同仁，感謝他們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中給予的全力支持。

我們的家人、朋友、同事、同仁，這個(gè)項(xiàng)目的成功離不開(kāi)他們的全力支持。

特別感謝我們?nèi)艿恼嬷?，始終保佑我們事業(yè)發(fā)展，生活如意。

7.0 參考文獻(xiàn)

1.IC Assembly handbook

2.BSA (Build Sheet Assembly)

3.SAS – JMP

4.Water jet Machine Manual

5.Package Portfolio Technology Roadmap

8.0 關(guān)于作者

Antonio ‘Dhon’ Sumagpang畢業(yè)于菲律賓科技大學(xué)（馬尼拉校區(qū)）電氣工程專(zhuān)業(yè)(BSEE) ，學(xué)士學(xué)位。在半導(dǎo)體工業(yè)從業(yè)16年，擁有豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。在意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠不同封裝工序工作數(shù)年后，現(xiàn)任新產(chǎn)品導(dǎo)入高級(jí)工程師，新產(chǎn)品導(dǎo)入項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。在第20屆和第25屆ANTS (ASEMEP國(guó)家技術(shù)研討會(huì))上先后兩次榮獲最佳技術(shù)論文獎(jiǎng)。在質(zhì)量競(jìng)賽中取得無(wú)數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，持有Green Belter證書(shū)。

Francis Ann “Pinky” Llana畢業(yè)于圣拉薩爾-巴科洛德大學(xué)化學(xué)工程(BSChE)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士學(xué)位，擁有18年的半導(dǎo)體工業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)任意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠高級(jí)封裝工程師，負(fù)責(zé)濕法工藝，例如，銅層后工序蝕刻、化學(xué)去膠、凸點(diǎn)設(shè)計(jì)和電鍍，在地區(qū)和國(guó)家質(zhì)量競(jìng)賽中取得無(wú)數(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)，持有Green Belter證書(shū)。

Ernani D. Padilla畢業(yè)菲律賓東方大學(xué)，特許電子通信工程師，現(xiàn)任意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠高級(jí)技術(shù)工程師，領(lǐng)導(dǎo)制造流程工程攻關(guān)小組，擁有注塑和等離子工藝方面專(zhuān)長(zhǎng)，持有Neville Clark的blackbelt證書(shū)。

附錄A

附錄B

附錄C

附錄D

附錄E

附錄F

附錄G