突破性的創(chuàng)新解決方案可降低UM16汽車芯片環(huán)氧膠覆蓋不良率PPM

摘要

UM16是在意法半導(dǎo)體菲律賓公司生產(chǎn)的首款智能汽車用半導(dǎo)體產(chǎn)品，并且是支持當(dāng)代汽車停車輔助系統(tǒng)最新功能的關(guān)鍵產(chǎn)品。產(chǎn)品如果未能達到嚴格的質(zhì)量要求，將會造成交通事故，導(dǎo)致意法半導(dǎo)體菲律賓公司退出汽車業(yè)務(wù)。 UM16產(chǎn)品良率是所有封裝中最低的，為98.04%，沒有達到客戶99.5%的良率目標(biāo)。在2018年4月產(chǎn)品發(fā)布期間，造成貼片缺陷的主要原因是1360 PPM的環(huán)氧膠覆蓋不良率。為了提高UM16整體封裝良率，我們需要在2018年第四季度末之前，將貼片工藝中的環(huán)氧膠覆蓋不良率從1360 PPM降低到300 PPM。我們采用六西格瑪DMAIC方法及其適用的統(tǒng)計工具，將14個關(guān)鍵過程輸入變量或潛在原因壓縮到4個在統(tǒng)計學(xué)上有意義的導(dǎo)致環(huán)氧膠覆蓋率低的主要真實原因：點膠嘴堵塞、膠干燥時間過長、斷尾參數(shù)不合理、貼片前檢查無效，并提出了解決和降低膠覆蓋不良率的預(yù)防方案。我們選擇實現(xiàn)四個突破性的創(chuàng)新解決方案：每10分鐘自動清潔一次點膠嘴、60分鐘膠干燥容許時間、優(yōu)化斷尾參數(shù)，以及在貼片前檢查工具上安裝雙側(cè)照明超亮光源。這些解決方案是將膠覆蓋不良率降到平均2 PPM的關(guān)鍵，讓公司年化資金節(jié)省達到1.686萬美元，節(jié)省新機器購置費20.5萬美元。

1. 定義階段

1.1項目識別/評選

1.2項目與ST卡蘭巴公司的年度政策的相關(guān)性

我們的業(yè)務(wù)案例與ST蘭巴后工序制造和技術(shù)公司的2018年政策部署中的提高封裝良率相關(guān)，支持ST提高制造效率的年度首要工作(圖2)。

圖2：2018年項目符合ST 卡蘭巴工廠年度政策部署

1.3問題識別/選擇

封裝良率是芯片制造中的KPI關(guān)鍵績效考核指標(biāo)之一，在2018年4月產(chǎn)品發(fā)布期間，UM16封裝良率為98.04%，在所有產(chǎn)品中最低，沒有達到客戶99.5%的產(chǎn)品良率目標(biāo)。UM16是ST卡蘭巴工廠制造的第一款汽車產(chǎn)品。因此，必須集中力量把這個產(chǎn)品做好。

圖4： 產(chǎn)品應(yīng)用

UM16是一款重要的智能汽車芯片，支持停車輔助系統(tǒng)的最新功能，適用于當(dāng)今的各種汽車。質(zhì)量缺陷可能致使產(chǎn)品功能失效，威脅汽車行駛安全，還會影響客戶對ST卡蘭巴工廠汽車產(chǎn)品的形象和信心。

UM16貼片工藝的良率為98.36%，是該產(chǎn)品良率最低的封裝工藝之一。在我們負責(zé)管理的工作范圍內(nèi)，出膠量不足是貼片的首要缺陷，因此，我們集中精力降低1360 PPM的膠覆蓋不良率。排序圖的進一步分類顯示，機器頻發(fā)的與出膠量不足缺陷相關(guān)的主要錯誤是膠覆蓋率低，其次是膠覆蓋面積不合格、膠涂覆形狀太大/太小錯誤。

圖3：問題定義樹

因此，我們的問題描述是：“在2018年4月產(chǎn)品發(fā)布期間，因貼片工藝出膠量不足缺陷，UM16汽車封裝的膠覆蓋不良率為1360 PPM?！?

我們向自己發(fā)出挑戰(zhàn)，將目標(biāo)定為把平均成績和最佳成績之間的差距縮減90%，而DMAIC標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)是縮減差距70%。

我們的目標(biāo)描述是：“到2018年第四季度末，將UM16產(chǎn)品貼片膠覆蓋不良率從1360降到300 PPM?！?

2.測量階段

2.1分析原因和根本原因

這是我們項目的總體圖， 詳細描述了貼片工藝流程，整個工藝共有6個工序，并且我們確定點膠和貼片前檢查是關(guān)鍵工序。

圖 5:貼片工藝流程圖

2.3 了解點膠和貼片前檢查工序

點膠針或點膠嘴按照控制的膠量向引線框架注膠。貼片前檢查視覺控制系統(tǒng)負責(zé)確定點膠位置。貼片前檢查是點膠機的一個出膠量檢查功能，在貼片前先檢查膠的實際覆蓋圖案與設(shè)定圖案是否一致。如果膠涂覆在設(shè)定圖案的綠線和紅線之間，則是覆蓋面積合格。PBI貼片前檢查功能還能檢測膠量過多或不足缺陷，如果發(fā)現(xiàn)這類問題，點膠機會自動報警并停機。

圖6：點膠和PBI檢查

2.4了解出膠量不足問題

環(huán)氧膠應(yīng)均勻涂覆在芯片下面。如果在芯片的每一面上沒有100%涂膠，則被認為是出膠量不足。

圖 7:膠覆蓋率評價標(biāo)準(zhǔn)圖

2.5分析最可能的原因

從前文流程圖中確定的關(guān)鍵工序開始，項目小組用輸入-輸出檢查表(簡稱“ I-O檢查表)，系統(tǒng)地分析造成出膠量不足的全部潛在原因。每道工序都經(jīng)過仔細檢查，從關(guān)鍵流程輸入變量KPIV中找出潛在的X原因。最后，有14個KPIV變量被確定是與出膠量不足相關(guān)。

通過分析潛在因素與“關(guān)鍵質(zhì)量特性分析” (CTQ)的關(guān)系，項目組使用因果矩陣給潛在因素優(yōu)先級排序。因果矩陣的用途類似于魚骨圖，但因果矩陣功能更為全面，提供的被研究因素與輸出響應(yīng)之間的關(guān)系是可以測量的。在所有項目都經(jīng)過因果矩陣優(yōu)先級排序后，最初在輸入-輸出檢查表中確定的KPIV變量從14個減少到7個。用標(biāo)準(zhǔn)的失效模式和影響工具分析評估剩余的KPIV變量。

風(fēng)險的嚴重性、發(fā)生率和檢測性分析或FMEA評分。根據(jù)這些分數(shù)計算出風(fēng)險優(yōu)先級或RPN值。RPN值越高，KPIV變量越重要。最終，使用FMEA RPN值選擇了6個KPIV變量。

從這個FMEA驗證中可以看到，有一項被確定為可能與出膠量不足有關(guān)的變量，在FMEA驗證中被視為速效方案(Quick Wins)。圖8是我們的X漏斗檢查表摘要。在分析階段采用統(tǒng)計方法驗證剩下的6個KPIV變量或潛在原因。

圖8：X漏斗檢查表

3.分析階段

3.1分析識別根本原因

我們用統(tǒng)計方法分析了剩余的六個因素或潛在原因，使用適合的統(tǒng)計工具檢查這些因素對出膠量不足缺陷的重要影響。

3.2 識別根本原因 – 點膠機閑置時膠嘴堵塞

為確定出膠量不足的根本原因，我們進行了三項統(tǒng)計分析。首先是統(tǒng)計驗證機器待機時間過長，點膠嘴是否堵塞，導(dǎo)致出膠量不足。我們評估了0、5、10、15分鐘待機時間，然后檢查出膠量是否隨時間變化。使用雙樣本比例檢驗進行統(tǒng)計檢驗，獲得的P值為0.0477，機器待機15分鐘出膠量發(fā)生明顯變化的置信度為95%。在待機15分鐘后，觀察到在點膠嘴中有膠堆積現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致膠嘴堵塞，出膠異常，膠量不足。不過，在點膠機待機達到10分鐘前，未發(fā)現(xiàn)出膠量不足缺陷。

圖9：識別根本原因–機器閑置時點膠嘴堵塞

3.3識別根本原因–膠暫置時間過長而變干

第二個是統(tǒng)計驗證膠暫置時間或干燥時間。膠干燥時間又稱定形時間或濕法上膠時間，是樹脂混合材料膠凝或變稠到不再能拉伸所用時間。膠干燥時間從點膠開始到芯片拾放或貼片為止。使用雙樣本比例檢驗進行統(tǒng)計檢驗，得出P值為0.0106。在75分鐘時膠反應(yīng)發(fā)生明顯變化的置信度為95%。在貼片工序中，干燥75分鐘的膠不再能拉伸或者涂覆，膠變干燥導(dǎo)致膠覆蓋率降低。在干燥時間達到60分鐘前，未發(fā)現(xiàn)膠覆蓋不足問題。

圖10：識別根本原因–環(huán)氧膠暫置時間過長變干

3.4 識別根本原因–斷尾參數(shù)不合理，可能致使點膠異常

第三個是統(tǒng)計驗證斷尾參數(shù)和膠覆蓋不足之間的關(guān)系。斷尾偏移量是膠嘴在斷尾延時之前向上移動的高度。斷尾延時是指膠嘴在移動到下一個焊盤位置之前在實際點膠位置上的停留時間。相關(guān)性分析表明，斷尾參數(shù)與膠覆蓋不足的正相關(guān)性很強，置信度為95%。當(dāng)膠嘴抬起過快，致使點膠尾部過程中斷，覆膠圖案殘缺不全，發(fā)生膠覆蓋不足的缺陷。

圖11：根本原因識別–未優(yōu)化的斷尾參數(shù)可能導(dǎo)致環(huán)氧樹脂不規(guī)則分配

3.5識別根本原因–貼片前檢查可靠性低

項目組驗證了當(dāng)前PBI檢測控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，使用Attribute MSA(測量系統(tǒng)分析)分析方法確定貼片前檢查視覺系統(tǒng)是否仍然可以可靠地發(fā)現(xiàn)膠覆蓋率低的問題。Attribute MSA報告顯示，當(dāng)前的PBI檢查結(jié)果無效且不可接受。在粗糙的引線框架上，由于焊盤變暗，機器檢查無法完全檢測出第9列到第11列的覆膠圖案。在粗糙引線框表面上對比度發(fā)生變化，導(dǎo)致貼片對準(zhǔn)和膠覆蓋檢查錯誤頻發(fā)。

圖12：識別根本原因-貼片前檢查可靠性低

在確定貼片前檢查有問題之后，為找出導(dǎo)致檢測不良的可能原因，我們用不同的砧塊平面度和引線框架粗糙度測量值做了一系列統(tǒng)計驗證，總體數(shù)據(jù)檢驗得到P值> 0.5，貼片前檢查的檢測不良率沒有顯著差異的置信度為95%，但是，在引線框類型測量時，檢測不良率卻存在明顯差異，標(biāo)準(zhǔn)PPF引線框架沒有遇到PBI問題，如圖15所示。

圖13：砧座平面度 （最左側(cè)）

圖14：引線框焊盤的粗糙度 （中間）

圖15：引線框類型（最右側(cè)）

在對6個KPIV類別進行全部統(tǒng)計驗證之后，我們確定有4個KPIV是具有統(tǒng)計學(xué)意義的真實原因。

改進階段

4.0制定解決方案

4.1基準(zhǔn)

根據(jù)機器OEM廠商分析，當(dāng)前的貼片機PBI裝置無法檢測到粗糙引線框架上的覆膠圖案，建議換用售價20.5萬美元的最新機型，這不切實際，項目小組需要找到替代的解決方案。

4.2 查閱相關(guān)文獻

為尋找替代解決方案，項目小組鉆研光影科學(xué)原理，進一步了解貼片前檢查背后的科學(xué)，并提出新的想法。

圖16：光影的科學(xué)原理

為解決引線框架上的光對比度反差大和不均衡的問題，小組提出了一個新的想法，用亮度更高的光源，去除覆膠圖案中的粗糙引線框架焊盤的深色圖像。因為光線越亮，陰影越暗，所以，消除陰影，我們需要一個反射鏡照射陰影。

4.3 替代方案評估

在識別真實原因之后，我們提出了所有的替代解決方案，并評定預(yù)防程度、效果、成本、風(fēng)險和安全性。預(yù)防是我們識別替代解決方案的指南。

表1：選擇標(biāo)準(zhǔn)

4.4替代解決方案

表2：選擇最佳的替代方案

經(jīng)過小組評估，每個項目確定4個應(yīng)對措施，選擇評分最高的應(yīng)對措施解決出膠量不足的真正原因。通過統(tǒng)計分析法驗證這些應(yīng)對措施。

4.5斷尾參數(shù)優(yōu)化方案

實用結(jié)論：DOE實驗設(shè)計等高線和曲面圖的分析結(jié)果建議，將斷尾延時參數(shù)范圍設(shè)定在100-300 ms之間，斷尾偏移量設(shè)為250-450點。

圖17：使用DOE優(yōu)化斷尾參數(shù)

4.6貼片前檢查裝置優(yōu)化方案

實用結(jié)論：

DOE交互作用圖顯示，為了提高良率，我們需要在PBI上安裝雙面照明的超亮光源。

圖18：使用DOE優(yōu)化貼片前檢查裝置

MSA屬性報告表明，在安裝雙面照明的超亮光源后，新PBI工具的檢測控制功能有效且可以接受。

圖19 : Attribute MSA

4.7分析潛在問題

在實現(xiàn)最佳解決方案之前，我們進行了潛在問題分析，確定了應(yīng)對措施，以解決在實施過程中可能出現(xiàn)的潛在問題。

4.8解決方案實現(xiàn)計劃

在2018年5月至8月，我們用計劃-執(zhí)行-檢查-改進PDCA方法，實現(xiàn)了最終確定的最佳解決方案。

表3：解決方案實施計劃

表4：潛在問題分析

4.9實現(xiàn)最佳解決方案

以下內(nèi)容描述了已實現(xiàn)的最佳解決方案的詳細信息以及其錯誤預(yù)防程度。

表5：實現(xiàn)最佳解決方案

4.10實現(xiàn)成果

在執(zhí)行預(yù)定應(yīng)對措施后，2018年最后一個季度，我們觀察到，UM16的環(huán)氧膠覆蓋不良率平均為2 PPM，優(yōu)于300 PPM的目標(biāo)，提高了99.8%。

IE部門計算并證明，從2018年8月所有最佳解決方案執(zhí)行后開始計算，年化節(jié)省成本1.686萬美元。

圖20：UM16 膠覆蓋不良率PPM趨勢

UM16貼片良率從99.36%提高到99.98%，良率提高了62%?？傮w而言， 2018年4月到12月，UM16芯片良率提高，保持在99.68%，超過了99.5%的良率目標(biāo)。

圖21：UM16封裝和貼片良率

與出膠量不足有關(guān)的機器錯誤率下降，TUD計劃外停機時間也從平均15%減少到4%，這使我們能夠達到每臺機器日裝載量(DLC)從25 K到35 K的目標(biāo)。

圖22：UM16機器錯誤日志

5. 控制階段

5.1標(biāo)準(zhǔn)化

因為我們知道應(yīng)對措施的一致性和可持續(xù)性十分重要，所以小組創(chuàng)建了所有相關(guān)文件資料，以反映我們所執(zhí)行的全部改進措施。同樣，還召集所有相關(guān)人員開了工作部署會議。

表6：標(biāo)準(zhǔn)化

5.2 結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化

在接受最佳解決方案的有效性之后，在適用機器和有相同粗糙引線框架的產(chǎn)品中安排執(zhí)行創(chuàng)新推廣計劃，復(fù)制成果。

標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表明，其他的采用粗糙引線框架的封裝同樣降低了膠覆蓋不良率PPM。

圖23：結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化