摘要

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

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、實驗設(shè)計(DOE)、流程圖分析、統(tǒng)計輔助分析和標桿分析，這些分析方法對確定問題的根源有很大的幫助，然后使用統(tǒng)計工程工具逐步濾除可變因素。

本項目找到了電流失效問題的根源，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，與主要競爭對手旗鼓相當(dāng)。最終，這個項目只通過優(yōu)化公司內(nèi)部資源，就提高了封裝測試總體良率，而沒有增加額外制造成本。

這些改進措施還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了客戶投訴質(zhì)量問題的風(fēng)險。在全部解決措施落實到位后，隨著量產(chǎn)成功，該項目節(jié)省制造成本38.25萬美元。

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，還是外部市場客戶，半導(dǎo)體廠商必須在客戶心目中樹立良好的形象，這是半導(dǎo)體企業(yè)保持市場競爭力和品牌價值所面臨的最大挑戰(zhàn)。“滿意度”是建立良好客戶關(guān)系的關(guān)鍵要素。相反，不能讓客戶滿意的業(yè)務(wù)是無法持續(xù)下去的。

QFN-MR(四邊扁平無引線–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，對公司財務(wù)業(yè)績貢獻率很高（按照全球評估標準）。

不過，為同一客戶生產(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。

產(chǎn)品1是QFN-MR產(chǎn)品，在量產(chǎn)預(yù)備階段，電測試電源電流總失效率不合格，總良率損失達到5.2%。產(chǎn)品 1是意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠的一個新產(chǎn)品線，需要給大客戶留下交貨快的印象，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。事實上，解決這些問題將會給卡蘭巴工廠量產(chǎn)類似產(chǎn)品平臺帶來改良機會。

1.1產(chǎn)品1配置

產(chǎn)品1是一款采用VPLGA封裝的BiCMOS芯片，用于控制硬盤驅(qū)動器的電機運行。這里VPLGA代表超薄格柵陣列四邊扁平無引線–多排引腳塑料封裝，封裝厚0.90 mm，引腳88個。目標應(yīng)用包括纖薄型電子設(shè)備和計算機硬盤驅(qū)動器的電機控制。

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無膠帶引線框架封裝

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

圖3：無膠帶QFN引線框架配置

1.4 產(chǎn)品1封測全部流程

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)品開發(fā)和認證測試階段制訂，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：電源電流抑制比對比

在產(chǎn)品1量產(chǎn)預(yù)備初期，最終測試的電源電流抑制比是5.20%，遠超外包廠的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意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠的未來業(yè)務(wù)發(fā)展構(gòu)成重大威脅。

1.6 標桿分析和比較分析

運用標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

在開始分析的時候，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，烘烤是最終測試電源電流失效的主要因素，就是這個巨大發(fā)現(xiàn)讓項目組開始專注這個工序的探究。

同樣地，項目組還做了微流程圖，以確定項目探究范圍。

圖7：微流程圖分析/封裝流程圖

1.7 問題描述

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。

2.0 實驗部分

2.1 材料:

§水刀

§QFN無膠帶引線框架封裝

§BiCMOS晶片

§塑料單元

§檢查與測試設(shè)備

2.2 實驗重點放在主要根源即水刀工序上:

確定問題根源并采取相應(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，觀察從材料制備、裝卸到檢查的整個單元工序。

圖8：水刀工序詳細流程

2.4 識別輸入變化:

運用輸入輸出方法深挖變化因素。經(jīng)過深入研究，42個KPIV變量被確定為重要的X因素，如圖9所示。(詳圖見附錄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。

(詳圖見附錄B)

圖10：因果矩陣

2.6 FMEA:

項目組還運用FMEA故障模式和影響分析法重新考慮變量關(guān)系。因為電源電流沒有故障模式，所以考慮從因果矩陣導(dǎo)出的全部KPIV變量，如圖11所示。(詳圖見附錄C)

圖11：故障模式和因果矩陣

2.7 兩個速效方案:

在完成上面的分析后，立即發(fā)現(xiàn)兩個(2)速效方案。

圖12：臨時措施矩陣

實驗結(jié)果分析

A.流程圖

·這個項目覆蓋18個流程工序。

·15個工序或83%是VA（增值），3個工序或17%是(無增值)

·未發(fā)現(xiàn)隱藏工廠

·在輸入-輸出工單中發(fā)現(xiàn)42個潛在X’因素。

B.因果矩陣

·運用因果優(yōu)先性分析法找到5個潛在的X因素。

C.FMEA

·因為電源電流最初沒有被識別為故障模式，所以5個潛在X因素都被視為高風(fēng)險。

D.速效方案

·發(fā)現(xiàn)2個速效方案

3.1 驗證方案

圖13：驗證方案矩陣

•運用比例測驗法驗證GAP分析法產(chǎn)生的兩個(2)項目(烘烤測試)

•運用混合水平DOE法驗證三個X。

(詳圖見附錄D)

3.2 統(tǒng)計檢驗

通過觀察圖14的統(tǒng)計假設(shè)檢驗結(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。

實用性結(jié)論:電源電流抑制在無水刀工序時較低，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

3.3 驗證方案

圖15：驗證結(jié)果

驗證結(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，如果無水刀工序，則抑制比會降低。

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，項目小組運用試驗設(shè)計方法進一步改進水刀工序。

(詳圖見附錄E)

3.4 試驗設(shè)計(DOE)

運用試驗設(shè)計法分析輸送帶速度、烘烤溫度和水刀壓強參數(shù)，目標是確定和設(shè)置使電源電流失效率最小化的最優(yōu)參數(shù)。

圖16所示是試驗設(shè)計方案，用于優(yōu)化水刀關(guān)鍵參數(shù)。

圖16：試驗設(shè)計方案和結(jié)果

(詳圖見附錄F)

從試驗設(shè)計結(jié)果看，當(dāng)P值是0.0231時，壓強是影響電源電流抑制比的主要因素。當(dāng)R-Square值是0.8997時，壓強與速度交互作用(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)測剖析圖給出的最優(yōu)設(shè)置，最大理想?yún)?shù)是在壓強 = 200psi, 速度 = 3.5m/min，溫度 = 50 degC時取得的，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，壓強是影響電源電流失效的主要因素；在P值 = 0.0231時，壓強與速度交互作用也是主要因素；在P值 = 0.0242時，速度與溫度交互作用是主要因素； 在P值 = 0.0405時，壓強與溫度交互作用是主要因素，可信度高于95%。

試驗統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P值 > 0.05時，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)測刻畫器剖析表

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

3.5 試驗設(shè)計(DOE)結(jié)論

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

試驗統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)P值 >0.05時，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)果驗證矩陣

(詳圖見附錄G)

3.6 水刀是如何影響產(chǎn)品1電源電流失效的？

了解失效機制知識有助于提高統(tǒng)計結(jié)果的準確性:

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

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

•膠帶速度效應(yīng)最有可能影響摩擦磨損（接觸速度），不過只限于鼓風(fēng)機區(qū)，無水環(huán)境會逐漸消耗摩擦磨損效應(yīng)。

3.7 實現(xiàn)結(jié)果

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

圖19：電源電流抑制比趨勢分析

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

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

圖21：改正預(yù)防措施矩陣

3.9 文檔資料

所有分析活動和知識都寫成文檔保存，以便在產(chǎn)品量產(chǎn)期間參考?？刂品桨浮MEA、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研發(fā)項目的價值，需要將項目組在研究過程中所積累的全部知識經(jīng)驗推廣到其它的QFN-MR產(chǎn)品制造過程。

圖23：推廣表

3.11 成本節(jié)省

在對改正措施的效果進行驗證后，項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，總計節(jié)省成本38.251萬美元。

4.0 結(jié)論

本文論述了深度分析統(tǒng)計方法可有效解決最終測試過程中的電源電流失效問題。運用統(tǒng)計分析知識和對數(shù)據(jù)和缺陷現(xiàn)象的了解，有助于找到缺陷的真正根源。綜合試驗設(shè)計降低了水刀工藝對電流失效的負面影響。引入烘烤工序顯著降低了單元電測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)品電測試良率總體提高，充分證明了驗證糾正措施的正確性及其效果。

5.0 建議

建議長期落實已認可的糾正措施，以穩(wěn)定電源電流性能。六個西格馬方法論(逐步深挖問題，識別并驗證問題根源，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)是解決制造難題的有效手段，在解決類似問題中應(yīng)該推廣這種方法。同時還推薦連續(xù)標桿分析法，這有助于企業(yè)改進流程，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的謝意: Jun Bernabe、Mariver Limosinero、Addonyz Antonio以及封裝部門的全體同仁，感謝他們在這個項目中給予的全力支持。

我們的家人、朋友、同事、同仁，這個項目的成功離不開他們的全力支持。

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

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，擁有豐富的實際經(jīng)驗。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)入高級工程師，新產(chǎn)品導(dǎo)入項目負責(zé)人。在第20屆和第25屆ANTS (ASEMEP國家技術(shù)研討會)上先后兩次榮獲最佳技術(shù)論文獎。在質(zhì)量競賽中取得無數(shù)獎項，持有Green Belter證書。

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，現(xiàn)任意法半導(dǎo)體卡蘭巴工廠高級封裝工程師，負責(zé)濕法工藝，例如，銅層后工序蝕刻、化學(xué)去膠、凸點設(shè)計和電鍍，在地區(qū)和國家質(zhì)量競賽中取得無數(shù)獎項，持有Green Belter證書。

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長，持有Neville Clark的blackbelt證書。

附錄A

附錄B

附錄C

附錄D

附錄E

附錄F

附錄G