在電子器件質(zhì)量管理中引入DMAIC 模型的實例研究

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。

1 六西格瑪簡介

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

2 DMAIC 模型在熒光燈電子鎮(zhèn)流器項目中的應(yīng)用

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。

2.1 界定

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

2.2 測量

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)。

2.3 分析

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。

2.4 改進(jìn)

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。

2.5 控制

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

3 小結(jié)

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。

［1］ 孫青，莊弈琪，王錫吉，等. 電子元器件可靠性工程［M］. 電子工業(yè)出版社，2002:17-18

［2］ 馬林，何禎.六西格瑪管理［M］.2 版. 中國人民大學(xué)出版社，2007:13-14

［3］ 崔玉蓮. 可靠性測試新技術(shù)——MEOST［J］. 電子質(zhì)量，2011(11):25-28

［4］ 四機(jī)部標(biāo)準(zhǔn)化研究所.GB 2689.1—1981 恒定應(yīng)力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則［S］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1981.10

［5］ 恩云飛，羅宏偉，來萍.電子元器件失效分析及技術(shù)發(fā)展［J］.國外金屬加工，2006(1):40-47

［6］ Thomas Pyzdek.六西格瑪手冊［M］. 孫靜，譯. 北京:清華大學(xué)出版社，2003:322-330

［7］ 張弛.六西格瑪試驗設(shè)計［M］.廣東經(jīng)濟(jì)出版社，2003:4

［8］ Thomas Pyzdek.6 Sigma Poject Planner:A Step-by-Step Guide to Leading a Six Sigma Project Through DMAIC［M］. McGraw-Hill Companies，Inc，2004:133-139