基于Minitab的宇航集成電路質(zhì)量控制方法

何 磊，蔡媛媛，魏 然，戴 瑩，呂 棟，虞勇堅

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

集成電路測試環(huán)節(jié)既是集成電路產(chǎn)業(yè)鏈中的一環(huán)，也是驗證出廠的關(guān)鍵。由于各種因素的影響，如制造工藝發(fā)展所帶來的挑戰(zhàn)，新的故障模型、新的測試向量生成方法和新的可靠性保證，集成電路日益復(fù)雜和性能的不斷提高，測試速度和引腳數(shù)不斷攀升，對測試的要求也向著高速模數(shù)混合測試方向發(fā)展[1]。

宇航集成電路屬于集成電路中的最高質(zhì)量保證等級，對測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求當(dāng)然更為苛刻，但實際生產(chǎn)過程中測試數(shù)據(jù)有時會由于偶然缺陷或測試系統(tǒng)的不穩(wěn)定導(dǎo)致結(jié)果差強人意，嚴(yán)重影響宇航集成電路篩選檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。如何快速判別測試系統(tǒng)測出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性已經(jīng)成為集成電路測試行業(yè)所面臨的問題。以中國空間技術(shù)研究院于2006年建立的“CAST規(guī)范”標(biāo)準(zhǔn)體系為例，就對宇航集成電路中關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了4個方面的具體要求：第一，參數(shù)在批次內(nèi)的一致性；第二，參數(shù)在批次間的一致性；第三，參數(shù)在全壽命周期內(nèi)的一致性；第四，參數(shù)在三溫測試的一致性[2]。該標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)展到現(xiàn)今已經(jīng)要求對篩選測試數(shù)據(jù)全部參數(shù)進(jìn)行一致性分析。在GJB597B-2012中的質(zhì)量保證大綱中的自查要求、GJB7400-2011中的QML體系要求等，都明確承制方需要及時發(fā)現(xiàn)篩選檢驗過程中測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的異常，從而采取糾正措施。及時發(fā)現(xiàn)過程異常是手段，促進(jìn)不斷改進(jìn)質(zhì)量才是目的[3]。已有學(xué)者研究認(rèn)為用熱流罩測試方法可以提高可靠性分析的準(zhǔn)確性[4]，而這種方法只適合用在小批量產(chǎn)品高低溫摸底測試范圍之內(nèi)，對于大批量的產(chǎn)品而言，熱流罩測試所需要花費的時間、成本都是很難達(dá)到的。

本文利用Minitab軟件選用實際案例，從宇航集成電路測試數(shù)據(jù)的角度進(jìn)行質(zhì)量控制分析，實現(xiàn)宇航集成電路在線檢驗過程的質(zhì)量保證，為GJB3014-1997《電子元器件統(tǒng)計過程控制體系》和GB/T4091-2001《常規(guī)控制圖》等標(biāo)準(zhǔn)體系在篩選檢驗環(huán)節(jié)的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

2 Minitab軟件介紹

Minitab公司于1972年成立于美國的賓夕法尼亞大學(xué)。Minitab軟件是一系列執(zhí)行統(tǒng)計分析的程序，目前已有一百多個國家、超過4800所高校在使用。它的特點是操作簡便，功能豐富，精度高（雙精度計算），對硬件的要求低，統(tǒng)計圖形豐富美觀，擁有強大的宏，強大的“助手”菜單可方便新手學(xué)習(xí)等[5-6]。尤其是Minitab16發(fā)布之后，每一個從事質(zhì)量改善的人都可以利用Minitab16對數(shù)據(jù)進(jìn)行更便捷有效的分析，從而做出正確的決定，可以說Minitab為更多的人打開了統(tǒng)計分析之門[7]。2016年，Minitab發(fā)行了17.3多國語言版本，對已有的功能進(jìn)行增強，使統(tǒng)計分析工作更容易進(jìn)行。

3 控制圖

控制圖（Control Chart）又稱質(zhì)量控制圖，是通過測定和記錄過程質(zhì)量，來評估和檢查過程是否處于受控狀態(tài)的一種統(tǒng)計圖形[6]。它是根據(jù)假設(shè)檢驗原理構(gòu)造的一種帶有控制限的圖形，利用控制限來區(qū)分質(zhì)量特性的波動究竟是由于偶發(fā)缺陷還是系統(tǒng)原因所引起，從而監(jiān)測生產(chǎn)過程是否處于受控狀態(tài)。常用統(tǒng)計過程控制圖主要分為計量值控制圖和計數(shù)值控制圖，且都可以利用Minitab軟件進(jìn)行繪制。表1是依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對常規(guī)控制圖進(jìn)行的一個分類匯總。

表1 常規(guī)控制圖的分類[8]

4 質(zhì)量控制實例

4.1 正態(tài)分布能力六包裝分析

正態(tài)分布能力六包裝、組間/組內(nèi)六包裝及非正態(tài)分布能力六包裝統(tǒng)稱為過程能力六包裝（Capability Sixpack），能夠使控制圖、運行圖（最后25個數(shù)據(jù)值）、能力直方圖、概率圖、過程能力圖和有關(guān)統(tǒng)計量在同一個圖形窗口中完整地顯示出來[6]。

對宇航集成電路的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計過程控制時，用到了正態(tài)分布能力六包裝分析，正態(tài)分布能力六包裝分析可為服從正態(tài)分布的過程數(shù)據(jù)生成過程能力報告，包括評價過程穩(wěn)定性的xˉ控制圖或I控制圖，R控制圖、s控制圖或MR控制圖，確定數(shù)據(jù)正態(tài)性的過程能力直方圖和正態(tài)概率圖，評價過程能力的過程能力圖及潛在或整體能力統(tǒng)計量。

4.2 測量數(shù)據(jù)

4.2.1 案例1

某宇航集成電路A電壓參數(shù)VFB=7 V為該集成電路的關(guān)鍵參數(shù)，按照生產(chǎn)過程控制要求需要對該參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)過程能力分析，現(xiàn)將該參數(shù)的測量數(shù)據(jù)值60個作為1組，選取1組數(shù)據(jù)。由于該數(shù)據(jù)是連續(xù)的，故屬于計量值控制圖范疇，詳見表2。

表2 電壓V FB測量數(shù)據(jù)

4.2.2 案例2

某宇航集成電路B電流參數(shù)IDD為該集成電路的關(guān)鍵參數(shù)，按照生產(chǎn)過程控制要求需要對該參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)過程能力分析，現(xiàn)將該參數(shù)的測量數(shù)據(jù)值60個作為一組，選取一組數(shù)據(jù)。由于該數(shù)據(jù)是連續(xù)的，故屬于計量值控制圖范疇，詳見表3。

表3 電流I DD值測量數(shù)據(jù)

4.3 六包裝分析圖

利用Minitab軟件，將以上2個案例數(shù)據(jù)生成正態(tài)分布能力六包裝分析圖，進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4.3.1 案例1的六包裝分析結(jié)果

基于表2中的數(shù)據(jù)，在Minitab中生成正態(tài)分布能力六包裝分析圖，見圖1。

圖1 某宇航集成電路電壓V FB參數(shù)的過程能力六包裝報告圖

該宇航集成電路的電壓參數(shù)VFB（7 V）的正態(tài)分布能力六包裝分析結(jié)果如下。

1）I控制圖中，數(shù)據(jù)點隨機分布在中心線附近，且在控制限之內(nèi)，未顯示出任何趨勢或模式，表明該部件的過程水平是穩(wěn)定的。

2）移動極差控制圖中，中心線MR=0.001268，各數(shù)據(jù)點移動極差的點隨機分布在中心線附近，且均在下控制限（Lower Control Limit，LCL）和上控制限（Upper Control Limit，UCL）之間，未顯示出任何趨勢或模式，表明過程變異也是穩(wěn)定的。

3）運行圖：數(shù)據(jù)點分布在中心線周圍。

4）正態(tài)概率圖：數(shù)據(jù)點近似呈一條直線，并落在95%置信區(qū)間內(nèi)，正態(tài)性檢驗，統(tǒng)計量（Anderson Darling，AD）為0.339，概率P=0.491＞0.05，按水準(zhǔn)α=0.05，可認(rèn)為數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。

5）能力直方圖：數(shù)據(jù)均在LCL和UCL之間，呈正態(tài)分布。

6）能力圖：整體過程變異的區(qū)間及組間/組內(nèi)變異的區(qū)間均比規(guī)格界限的區(qū)間窄，表明參數(shù)未超出容差限[0.595，0.615]，此外，過程性能指數(shù)Pp＞1.33，過程能力指數(shù)Cp＞1.33，表明過程能力受控[8]。

4.3.2 案例2的六包裝分析結(jié)果

基于表3中的數(shù)據(jù)，在Minitab中生成正態(tài)分布能力六包裝分析圖，見圖2。

圖2 某宇航集成電路電流參數(shù)I DD的過程能力六包裝報告圖

該宇航集成電路的電流參數(shù)IDD的正態(tài)分布能力六包裝分析結(jié)果如下。

1）I控制圖中，部分?jǐn)?shù)據(jù)點分布在中心線附近，有9個數(shù)據(jù)點未通過檢驗。

2）移動極差控制圖中，中心線MR=3.98，部分?jǐn)?shù)據(jù)點移動極差的點隨機分布在中心線附近，有2個點離中心線較遠(yuǎn)，不在LCL和UCL之間，表明過程變異不穩(wěn)定，即該過程不受控。

3）運行圖：數(shù)據(jù)點沒有均分布在中心線周圍。

4）正態(tài)概率圖：部分?jǐn)?shù)據(jù)點未落在95%置信區(qū)間內(nèi)，正態(tài)性檢驗，AD=4.036，P＜0.05，按α=0.05水準(zhǔn)，可認(rèn)為數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布。

5）能力直方圖：數(shù)據(jù)均在LCL和UCL之間，但呈非正態(tài)分布。

6）能力圖：整體過程變異的區(qū)間及組間/組內(nèi)變異的區(qū)間均比規(guī)格界限的區(qū)間窄，表明IDD未超出容差限[0，900]，此外，Pp＞1.33，Cp＞1.33，表明過程能力受控。

7）由I控制圖可以看出，較低值的數(shù)據(jù)大致集中在31～37樣本之間，據(jù)此可以查找該批次宇航集成電路的歷史測試數(shù)據(jù)，找出超標(biāo)數(shù)據(jù)具體在哪一批老煉批中，從而實現(xiàn)對試驗、測試過程的追溯和異常分析。

經(jīng)追溯，本案例中31～37樣本之間的異常情況是由于31～37樣本測試過程中測試系統(tǒng)的不穩(wěn)定以及測試程序?qū)υ搮?shù)未進(jìn)行合理的下限設(shè)置，未能及時發(fā)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)異常，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)結(jié)果的偏差。該異常的糾正措施為：優(yōu)化測試程序，將測試程序中的IDD參數(shù)值建立合理的上下限，例如設(shè)置上限為750μA，下限為710μA。這樣當(dāng)測試結(jié)果連續(xù)出現(xiàn)幾只電路FAIL時，可以快速發(fā)現(xiàn)異常，及時排查故障發(fā)生的原因，解決測試結(jié)果不準(zhǔn)確的難題。

5 結(jié)束語

利用Minitab對宇航集成電路測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制成相對應(yīng)的控制圖，可以快速發(fā)現(xiàn)批次內(nèi)或批次間電路測試數(shù)據(jù)的差異性，通過進(jìn)一步的分析，可以追溯異常發(fā)生的環(huán)節(jié)，剔除異常電路或改進(jìn)測試程序。近幾年來，在中美科技戰(zhàn)日趨激烈的情況下，集成電路行業(yè)被推向了風(fēng)口浪尖，各單位的科研生產(chǎn)任務(wù)激增，為保證軍用集成電路產(chǎn)品質(zhì)量和一致性水平，工程技術(shù)人員不僅可以在電路測試數(shù)據(jù)中使用Minitab軟件，在電路的生產(chǎn)制造過程以及人、機、料、法、環(huán)、測（5M1E）等質(zhì)量控制過程中同樣可以運用，對產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出浴盆曲線中的早期失效點并及時做出調(diào)整，以提高集成電路的質(zhì)量可靠性，使產(chǎn)品質(zhì)量控制處于長期可控狀態(tài)。