LED芯片生產(chǎn)中的“過(guò)程能力指數”分析

在芯片的生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì )經(jīng)歷許多次的摻雜、增層、光刻和熱處理等工藝制程，每一步都必須達到極其苛刻的物理特性要求。但是，即使是最成熟的工藝制程也存在不同位置之間、不同晶圓之間、不同工藝運行之間以及不同時(shí)段之間的變異。有時(shí)，這種變異會(huì )使工藝制程超出它的制程界限，生產(chǎn)出不符合工藝標準的晶圓，從而嚴重地影響成品率(YiELd)。而任何對半導體工業(yè)有過(guò)些許了解的人都知道：整個(gè)工業(yè)對其良品率都極其關(guān)注。因此，正確地*估和控制芯片生產(chǎn)過(guò)程中的變異顯得尤為重要，而研究過(guò)程變異的常用方法之一就是過(guò)程能力分析。

　　一般來(lái)說(shuō)，過(guò)程能力分析通常是指通過(guò)顧客質(zhì)量要求的范圍與實(shí)際產(chǎn)品質(zhì)量變異范圍之間的比較數值來(lái)衡量實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程滿(mǎn)足規格要求的能力。具體來(lái)說(shuō)，就是計算出過(guò)程能力指數Cp和Cpk值，確定其過(guò)程能力等級，判斷過(guò)程能力是不足、尚可還是充分，進(jìn)而采取相應的改進(jìn)和維護措施。這個(gè)簡(jiǎn)單易行的質(zhì)量管理工具已經(jīng)在各行各業(yè)中都有了廣泛的應用，頗受好*。

　　由于半導體制造工藝的復雜性，生產(chǎn)一個(gè)完整器件所需涉及的龐大工藝制程數量，以及檢測內容的多樣化等等原因，必然要求芯片生產(chǎn)中的“過(guò)程能力指數”分析必須在遵循原先質(zhì)量統計理論的基礎上有所發(fā)展，創(chuàng )造出一套適合半導體工業(yè)的“過(guò)程能力指數”分析方法。

　　縱觀(guān)國內的常規質(zhì)量管理咨詢(xún)和軟件市場(chǎng)，長(cháng)期以來(lái)都無(wú)法提出一個(gè)理想的解決方案。幸運的是，被英特爾Intel、國家半導體NationalSemiconductor，中芯國際等全球芯片巨頭普遍采用的高端六西格瑪質(zhì)量管理統計分析軟件，已經(jīng)在這方面作出了很多卓有成效的工作，業(yè)已成為半導體行業(yè)的一種應用標準。接下來(lái)，本文將結合一個(gè)案例與大家一起在JMP軟件最新的JMP7平臺上分享這個(gè)研究成果。

圖1 晶圓工廠(chǎng)測試數據

　　如上圖所示，圖1是某晶圓工廠(chǎng)在最終的電子測試階段獲取的數據表格，共有1455條記錄(限于篇幅，圖一僅顯示了其中的前30條記錄)，考察的質(zhì)量特性有16個(gè)(實(shí)際情況會(huì )更多，此處僅取其中的一部分做演示，并且限于篇幅，圖一僅顯示了其中的前7個(gè)質(zhì)量特性)。如果按照傳統的分析方法，我們需要按部就班地計算16組過(guò)程能力指數，對各項質(zhì)量特性一一考核，但對它們之間的相互關(guān)聯(lián)以及產(chǎn)品的總體質(zhì)量性能卻缺少一個(gè)全面的認識總結。而且單純用數字說(shuō)明，也顯得有些枯燥抽象。

圖2 過(guò)程能力指數的目標圖GoalPlot

　　JMP軟件巧妙地通過(guò)一系列生動(dòng)形象的統計圖形，使我們得到一個(gè)全新的分析展示結果。先看圖2所示的“過(guò)程能力指數的目標圖GoalPlot”。圖中等腰三角形的兩條紅邊表示所有Cpk恰巧等于1的情況，等腰三角形以?xún)鹊牟糠直硎舅蠧pk大于1的情況，等腰三角形以外的部分表示所有Cpk小于1的情況，一般越遠離三角形的點(diǎn)所代表的Cpk值越小。顯然，目標圖用一個(gè)等腰三角形將過(guò)程能力充足和不足的兩部分質(zhì)量特性區分得一目了然。在此案例中，給我們印象最深的是INM2、IVP2、IVP1等特性的過(guò)程能力很差，因為相對其他點(diǎn)而言，它們離這個(gè)等腰三角形最遠。

圖3 過(guò)程能力指數的箱型圖BoxPlot

　　再看圖3所示的“過(guò)程能力指數的箱型圖BoxPlot”。圖中兩條綠色的虛線(xiàn)分別表示的是將16組規格限統一規格化后的規格上下限，VPM3、INMI1、NPN2等特性的箱型圖比較狹窄，且都落在虛線(xiàn)范圍中，說(shuō)明它們的過(guò)程能力比較充分，INM2、IVP2、IVP1等特性的箱型圖比較寬泛，且都遠遠超出了虛線(xiàn)范圍，說(shuō)明它們的過(guò)程能力嚴重不足。

圖4 過(guò)程能力指數的規格化箱型圖NormalizedBoxPlot　　最后看圖4所示的“過(guò)程能力指數的規格化箱型圖NormalizedBoxPlot”。此時(shí)圖中16個(gè)箱型圖是分別通過(guò)轉化而得，所有箱型圖的波動(dòng)范圍幾乎都在[-5，5]之間，16組綠色的小短線(xiàn)表示分別經(jīng)過(guò)同樣轉換后得到的規格上下限。相對而言，VPM3、INMI1、NPN2等特性的箱型圖都穩穩地落在規格范圍中間的位置，再次說(shuō)明它們的過(guò)程能力比較充分，INM2、IVP2、IVP1等特性的箱型圖的波動(dòng)明顯比規格限寬泛，再次說(shuō)明它們的過(guò)程能力嚴重不足。

　　當然，傳統的過(guò)程能力指數的具體數值也很重要，我們可以參考“過(guò)程能力指數列表”對所有16個(gè)質(zhì)量指標進(jìn)行定量的*價(jià)，其內容包括常用的Cp、Cpk和PPM值。

　　總之，半導體制造業(yè)面臨著(zhù)巨大的質(zhì)量和成本的挑戰。想象一下，在極其苛刻的潔凈空間內，不到1/2平方英寸芯片范圍里，制作出數百萬(wàn)個(gè)微米量級的元器件平面構造和立體層次……單憑這一點(diǎn)就應當充分重視芯片制造中的過(guò)程能力分析。專(zhuān)業(yè)質(zhì)量管理統計分析軟件JMP有機地整合了質(zhì)量統計理論、數據可視化手段和半導體制造業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)，將復雜的統計分析用各種簡(jiǎn)單易懂的方式展現出來(lái)，大大提高了我們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，希望有更多的工程技術(shù)人員可以從中受益。

　　本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm、1W的LED芯片，另一面為肋片的鋁制散熱片，利用數值法求解三維穩態(tài)導熱微分方程，利用計算機專(zhuān)用軟件計算得到不同led芯片分布時(shí)，散熱片芯片表面的溫度分布，根據其溫度場(chǎng)來(lái)分析LED芯片分布對其散熱的影響。結果是：九顆芯片集中在一起散熱效果最差，芯片之間的距離應達到5mm以上，其芯片溫度可降低近5℃以上。

　　LED照明，由于節能顯著(zhù)，被認為是下一代照明技術(shù)。LED是冷光源，其光譜中不包含紅外部分，而目前LED發(fā)光效率僅達到20%，也就是說(shuō)有80%以上的電能轉換成熱能。如果熱量不能有效散出，芯片的溫度上升，會(huì )導致光效下降，光衰加劇，嚴重時(shí)燒毀芯片，LED芯片散熱是當前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問(wèn)題。

　　LED芯片的散熱過(guò)程并不復雜，只是一系列導熱過(guò)程再加對流換熱過(guò)程，溫度范圍不高，屬于常溫傳熱，其內的導熱過(guò)程，完全可以運用計算機專(zhuān)用軟件求解三維導熱微分方程，計算分析出LED芯片中、散熱片內的導熱過(guò)程，以及散熱片外表的對流換熱，分析出整個(gè)傳熱過(guò)程中主要的熱阻在何處，什么原因造成的，可以得到一非常清晰的解，使人們有的放矢。

　　但當前LED散熱以及同類(lèi)的半導體芯片散熱，都缺少這一基礎性和指導性的研究，即使有人做了，但不為眾人所知。由此造成當今LED散熱技術(shù)就像春秋戰國時(shí)代樣，出現采用熱管，甚至提出采用回路熱管。本文僅從LED芯片分布不同，來(lái)研究分析其對散熱的影響，將對LED芯片中的設計和制造起著(zhù)指導性意義。