SPC在鍵合工藝中的應(yīng)用

劉春巖，李 敏，關(guān)亞男，王 偉

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 前言

用統(tǒng)計(jì)技術(shù)進(jìn)行過程控制，稱統(tǒng)計(jì)過程控制，簡稱SPC。1924年美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的W.A.Shewhart首創(chuàng)了SPC后，質(zhì)量管理從“因襲管理”發(fā)展到“過程管理。SPC的重要手段是控制圖，控制圖的作用是區(qū)分生產(chǎn)過程中質(zhì)量變異的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)異常變異，及時(shí)“報(bào)警”，以便技術(shù)員采取糾正、預(yù)防措施，使過程及時(shí)回復(fù)穩(wěn)定。

鍵合工藝在集成電路生產(chǎn)過程中屬于關(guān)鍵工藝，每條鍵合絲的質(zhì)量直接影響到整個(gè)電路的質(zhì)量，更關(guān)系到其應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性。由此可見加強(qiáng)鍵合工藝的質(zhì)量控制是提高產(chǎn)品可靠性的先決條件。為了生產(chǎn)出質(zhì)量好、可靠性高的微電子產(chǎn)品，工藝過程必須處于“統(tǒng)計(jì)受控”狀態(tài)。雖然常規(guī)控制圖技術(shù)在傳統(tǒng)微電子封裝鍵合工藝已應(yīng)用許多年，但由于多種原因，在生產(chǎn)中還存在一些特殊問題，需要采用不同于常規(guī)控制圖的新技術(shù)，來反映鍵合工藝的質(zhì)量。近些年來SPC控制廣泛應(yīng)用于微電子器件的生產(chǎn)加工工藝中，其中SPC應(yīng)用于鍵合工藝已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的一項(xiàng)有效手段。

2 SPC實(shí)施過程

2.1 工序能力指數(shù)

工序能力指數(shù)CPK直接反映了工藝成批率的高低，因此定量表征了該工序滿足工藝規(guī)范要求的能力。過程能力是指當(dāng)過程處于受控狀態(tài)時(shí)過程符合容差范圍的輸出能力。一般用特性值散布的6倍標(biāo)準(zhǔn)差(6σ)衡量。

在生產(chǎn)中，為了綜合表示工藝水平滿足工藝參數(shù)規(guī)范要求的程度，定義出工序能力指數(shù)CPK，常規(guī)的CPK計(jì)算公式:公差上限，TL公差下限，σ標(biāo)準(zhǔn)差)。在鍵合工藝中一般規(guī)范要求鍵合強(qiáng)度高于一個(gè)最低值，就是只有公差下限沒有公差上限，則，利用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算CPK，從CPK值反應(yīng)出鍵合的質(zhì)量。本次SPC實(shí)施鍵合工藝目標(biāo)值CPK達(dá)到1.33以上。

提高工序能力指數(shù)CPK值有三條途徑，其中前兩條的作用是提高潛在的工序能力指數(shù)CPK，第三條是在CPK值為一定的情況下進(jìn)一步提高實(shí)際工序能力指數(shù)。

(1)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使規(guī)范范圍TU－TL盡量大，就是使設(shè)計(jì)容限擴(kuò)大。

(2)優(yōu)化工藝條件或更新設(shè)備，使工藝參數(shù)的分散盡量小，即減少參數(shù)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。

(3)調(diào)整工藝條件，精細(xì)操作，使工藝分布參數(shù)中心，即均值μ與參數(shù)范圍中心T/2之間的偏離盡量小。

為了得到較理想的CPK值，優(yōu)化了人、機(jī)、料、法、測、環(huán)影響CPK的六大因素。第一，操作員放置未鍵合半成品必須做到緊貼水平放置工作臺上，夾緊夾具，自動對焦，自動鍵合，自動鍵合時(shí)半成品不松動，保證鍵合質(zhì)量。第二，鍵合參數(shù)是影響鍵合質(zhì)量的直接因素。各參數(shù)間必須互相匹配、多次調(diào)節(jié)，不能單一的改變某個(gè)值就能達(dá)到預(yù)想的效果。不同的電路品種在調(diào)試好鍵合機(jī)的聚焦、照相位、對位點(diǎn)后改變鍵合參數(shù)，測量強(qiáng)度得到數(shù)據(jù)結(jié)果，選擇出強(qiáng)度一致性好、強(qiáng)度大的相互匹配的參數(shù)作為鍵合參考參數(shù)，并儲存到鍵合程序中。同時(shí)設(shè)備要按時(shí)保養(yǎng)和維護(hù)，使其長期處在正常工作狀態(tài)。第三，管殼和芯片存放或操作過程中受到不同的污染，影響到鍵合質(zhì)量，采用氬氣100s－300s等離子清洗的方法，將污物或氧化物去除，完全只有金屬間的鍵合，鍵合強(qiáng)度大小和一致性都有明顯提高。第四，測試鍵合強(qiáng)度是根據(jù)二力合成原理，為了獲得準(zhǔn)確的強(qiáng)度值，必須選好強(qiáng)度測試位置。根據(jù)平行四邊形法則，在鍵合絲中間豎直方向上的合力最大，也就是要測的鍵合強(qiáng)度。

2.2 判定規(guī)則

(1)均值圖:至少一半或更多的點(diǎn)落在控制限以內(nèi)。

(2)極差圖:極差圖必須受控，否則GRR的實(shí)驗(yàn)過程必然發(fā)生了特殊原因，后面的結(jié)果便不可相信。

異常情況:數(shù)據(jù)點(diǎn)位于控制限以外;連續(xù)7個(gè)或多余7個(gè)點(diǎn)單調(diào)上升，或者單調(diào)下降;連續(xù)3個(gè)點(diǎn)至少有2個(gè)點(diǎn)超出或低于中心線2倍標(biāo)準(zhǔn)差之外，即高位鏈。極差圖分層(NDC)必須大于5層，否則系統(tǒng)的分辨率不足，會呈現(xiàn)重復(fù)性好的假象。

(3)鍵合強(qiáng)度測試儀研究概要

如果總百分比變異列的合計(jì)量具可重復(fù)性與可再現(xiàn)性(R＆R)貢獻(xiàn):小于10%—測量系統(tǒng)可接受;在10%－30%—測量系統(tǒng)是否可接受取決于具體應(yīng)用、成本、維修成本或其他因素;大于30%—測量系統(tǒng)不可接受，并應(yīng)予以改進(jìn)。

如果百分比為貢獻(xiàn)率列，則相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為:小于1%—測量系統(tǒng)可接受;在1% －9%—測量系統(tǒng)是否可接受取決于具體應(yīng)用、成本、維修成本或其他因素;大于9%—測量系統(tǒng)不可接受，并應(yīng)予以改進(jìn)。

2.3 操作過程

設(shè)備選擇ASM公司的AB559A自動鍵合機(jī)，周期240ms/條(2mm)，精度1μm，自動對焦，自校準(zhǔn)，自對點(diǎn)系統(tǒng)，可程式控制，鍵合異常是停止鍵和并報(bào)警，該鍵合機(jī)速度較快，準(zhǔn)確度高，鍵合一致性好。

每天啟動鍵合機(jī)后，檢查是否正常工作，首件內(nèi)部目檢和測試合格后進(jìn)行鍵合操作。上午10點(diǎn)鍵合SPC樣品，內(nèi)部目檢合格后，取不同位置8條鍵合絲在鍵合強(qiáng)度測試儀上測量鍵合強(qiáng)度，并隨機(jī)記錄強(qiáng)度值。將強(qiáng)度值作為一組數(shù)據(jù)錄入SPC軟件，生成相關(guān)圖表。若軟件報(bào)警或異常，應(yīng)立即填寫表單并且通知工程師進(jìn)行處理。

2.4 鍵合強(qiáng)度測試儀評價(jià)

鍵合拉力測試儀屬于影響CPK“測”的環(huán)節(jié)。鍵合強(qiáng)度的大小直接影響CPK的準(zhǔn)確性，所以測試儀的準(zhǔn)確度與精度由為重要。本次SPC實(shí)施，選用dage4000作為鍵合強(qiáng)度測試設(shè)備，鍵合強(qiáng)度測試范圍100g，測試精度為±0.25%。

圖1是不同的操作員鍵合實(shí)驗(yàn)品后錄入的數(shù)據(jù)，軟件生成的測試儀評價(jià)報(bào)告。

該鍵合強(qiáng)度測試儀的數(shù)據(jù)均值極差控制圖無異常，極差圖分層(NDC)大于5層，合計(jì)量具可重復(fù)性與可再現(xiàn)性(R＆R)百分比變異為9.6%，小于10%，量具可重復(fù)性與可再現(xiàn)性(R＆R)百分比貢獻(xiàn)為0.9%，小于1%，滿足SPC數(shù)據(jù)采集的要求。

3 實(shí)施結(jié)果

采用ASM公司AB559A全自動鍵合機(jī)鍵合操作。每天啟動鍵合機(jī)后，檢查是否正常工作，首件檢驗(yàn)合格后進(jìn)行鍵合操作。定時(shí)鍵合SPC樣品，內(nèi)部目檢合格后，取不同位置8條鍵合絲在剪切強(qiáng)度鍵合強(qiáng)度測試儀上測量鍵合強(qiáng)度，并隨機(jī)記錄強(qiáng)度值;將強(qiáng)度值作為一組數(shù)據(jù)錄入SPC軟件，生成相關(guān)圖表。錄入數(shù)據(jù)時(shí)，如果測定的數(shù)值超出鍵合強(qiáng)度控制限;或者連續(xù)7點(diǎn)呈上升或者下降趨勢等異常情況時(shí)，應(yīng)立即填寫表單并且通知工程師進(jìn)行處理。

圖1 鍵合測試儀評價(jià)圖

連續(xù)取40組，共320個(gè)數(shù)據(jù)。軟件生成數(shù)據(jù)平均值為 10.7331，平均偏差 0.862，滿足正態(tài)分布，得到實(shí)際工序能力指數(shù)CPK是1.55。圖2和圖3是均值控制圖和標(biāo)準(zhǔn)差控制圖。

鍵合工序SPC實(shí)施結(jié)果:參數(shù)分布屬于正態(tài)分布(圖4)，鍵合工序SPC控制圖受控。

實(shí)際工序能力CPK評價(jià)結(jié)果:CPK=1.55，大于目標(biāo)值1.33，達(dá)到SPC實(shí)施目標(biāo)要求。

圖2 均值控制圖

控制上線:11.88，平均值:10.733，控制下線:9.586

圖3 標(biāo)準(zhǔn)差控制圖

控制上線:1.894，平均值:1.043，控制下線:0.193

4 結(jié) 束 語

在做SPC之前，鍵合質(zhì)量問題往往是在測試或篩選中發(fā)現(xiàn)，需要向前追溯問題所在，時(shí)間上滯后，現(xiàn)場復(fù)原難度大。SPC在鍵合工藝上的實(shí)施，不僅提高了鍵合質(zhì)量，還實(shí)現(xiàn)了鍵合工藝的時(shí)可控性。軟件錄入數(shù)據(jù)，生成CPK值，用數(shù)據(jù)直接反應(yīng)鍵合工藝能力， 在控制圖上生成的點(diǎn)，又直接反應(yīng)出鍵合狀態(tài)，根據(jù)判定規(guī)則又預(yù)見出鍵合工藝是否存在隱患，做到先發(fā)現(xiàn)早解決，避免了從后向前反向追查的弊端。

圖4 參數(shù)正態(tài)分布分布圖

［1］李為柱.ISO9000族標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:企業(yè)管理出版社，2001.

［2］賈新章，李京苑.統(tǒng)計(jì)過程控制與評價(jià)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.