高成本效益的實(shí)用系統方法 解決QFN-mr BiCMOS器件單元測試電源電流失效問(wèn)題

摘要

本文探討一套解決芯片單元級電測試過(guò)程電源電流失效問(wèn)題的方法。當采用QFN-MR(四邊扁平無(wú)引線(xiàn)–多排引腳封裝)的BiCMOS (雙極互補金屬氧化物半導體)芯片進(jìn)入量產(chǎn)預備期時(shí)，電源電流失效是一個(gè)進(jìn)退維谷的制造難題。

本文介紹了數種不同的失效分析方法，例如，數據分析、實(shí)驗設計(DOE)、流程圖分析、統計輔助分析和標桿分析，這些分析方法對確定問(wèn)題的根源有很大的幫助，然后使用統計工程工具逐步濾除可變因素。

本項目找到了電流失效問(wèn)題的根源，并采用了相應的解決措施，使電源電流失效發(fā)生率大幅降低，與主要競爭對手旗鼓相當。最終，這個(gè)項目只通過(guò)優(yōu)化公司內部資源，就提高了封裝測試總體良率，而沒(méi)有增加額外制造成本。

這些改進(jìn)措施還提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了客戶(hù)投訴質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)險。在全部解決措施落實(shí)到位后，隨著(zhù)量產(chǎn)成功，該項目節省制造成本38.25萬(wàn)美元。

1.0 前言

為了能夠在技術(shù)快速變化的半導體工業(yè)中生存，不管是企業(yè)內部用戶(hù)，還是外部市場(chǎng)客戶(hù)，半導體廠(chǎng)商必須在客戶(hù)心目中樹(shù)立良好的形象，這是半導體企業(yè)保持市場(chǎng)競爭力和品牌價(jià)值所面臨的最大挑戰。“滿(mǎn)意度”是建立良好客戶(hù)關(guān)系的關(guān)鍵要素。相反，不能讓客戶(hù)滿(mǎn)意的業(yè)務(wù)是無(wú)法持續下去的。

QFN-MR(四邊扁平無(wú)引線(xiàn)–多排引腳封裝)是意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)產(chǎn)量的最大的產(chǎn)品，對公司財務(wù)業(yè)績(jì)貢獻率很高（按照全球評估標準）。

不過(guò)，為同一客戶(hù)生產(chǎn)同一產(chǎn)品，有些外包廠(chǎng)(外包廠(chǎng)1和外包廠(chǎng)2)在產(chǎn)品質(zhì)量上卻更勝一籌，這迫使卡蘭巴工廠(chǎng)必須自我改進(jìn)。

產(chǎn)品1是QFN-MR產(chǎn)品，在量產(chǎn)預備階段，電測試電源電流總失效率不合格，總良率損失達到5.2%。產(chǎn)品 1是意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)的一個(gè)新產(chǎn)品線(xiàn)，需要給大客戶(hù)留下交貨快的印象，但是不能犧牲產(chǎn)品質(zhì)量，因此，需要找到造成產(chǎn)品缺陷的主要原因。事實(shí)上，解決這些問(wèn)題將會(huì )給卡蘭巴工廠(chǎng)量產(chǎn)類(lèi)似產(chǎn)品平臺帶來(lái)改良機會(huì )。

1.1產(chǎn)品1配置

產(chǎn)品1是一款采用VPLGA封裝的BiCMOS芯片，用于控制硬盤(pán)驅動(dòng)器的電機運行。這里VPLGA代表超薄格柵陣列四邊扁平無(wú)引線(xiàn)–多排引腳塑料封裝，封裝厚0.90 mm，引腳88個(gè)。目標應用包括纖薄型電子設備和計算機硬盤(pán)驅動(dòng)器的電機控制。

圖1是產(chǎn)品1的封裝示意圖。

圖1：VPLGA88產(chǎn)品配置 / POD

1.2BiCMOS半導體制造技術(shù)

圖2：BiCMOS半導體制造技術(shù)

BiCMOS芯片由五層組成。NiPd (鎳鈀金)是最后一層金屬層，互連線(xiàn)就打在這一層上。

1.3 QFN-MR無(wú)膠帶引線(xiàn)框架封裝

無(wú)膠帶四邊扁平無(wú)引線(xiàn)封裝是一種引線(xiàn)框架封裝載體(平臺)，利用后工序蝕刻，在載體上形成引腳面積。與其它的類(lèi)似微型封裝相比，無(wú)膠帶QFN封裝給意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)帶來(lái)更好實(shí)惠，例如，引線(xiàn)框架成本低，支持多排引腳，兼容銅線(xiàn)，無(wú)膠帶載體，晶片切割速度快。

圖3：無(wú)膠帶QFN引線(xiàn)框架配置

1.4 產(chǎn)品1封測全部流程

圖4：1.4 產(chǎn)品1封裝流程

圖4所示是產(chǎn)品1的封裝流程，該流程在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和認證測試階段制訂，基于現有封裝流程，采用相同的芯片制造技術(shù)和材料。

1.5 產(chǎn)品1線(xiàn)路應力表現

圖5：電源電流抑制比對比

在產(chǎn)品1量產(chǎn)預備初期，最終測試的電源電流抑制比是5.20%，遠超外包廠(chǎng)的0.35%。上面的柱形圖是意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)與外包廠(chǎng)的電源電流抑制比的比較圖，兩者之間的巨大差距對意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)的未來(lái)業(yè)務(wù)發(fā)展構成重大威脅。

1.6 標桿分析和比較分析

運用標桿分析和比較分析法尋找意法半導體卡蘭巴與外包廠(chǎng)在產(chǎn)品制造上的不同之處。需要說(shuō)明的是，外包廠(chǎng)在水刀工序后還有烘烤工序。

圖6：意法半導體與外包廠(chǎng)的制造流程比較

在開(kāi)始分析的時(shí)候，我們發(fā)現烘烤工序是主要不同之處。在清洗等濕法工序后，需要進(jìn)行烘烤工序，除掉單元內的濕汽。初步分析結果顯示，烘烤是最終測試電源電流失效的主要因素，就是這個(gè)巨大發(fā)現讓項目組開(kāi)始專(zhuān)注這個(gè)工序的探究。

同樣地，項目組還做了微流程圖，以確定項目探究范圍。

圖7：微流程圖分析/封裝流程圖

1.7 問(wèn)題描述

在量產(chǎn)預備期，產(chǎn)品1電源電流抑制比是 5.20%，被歸為封裝工序固有濕法工序造成的潮濕性風(fēng)險。

2.0 實(shí)驗部分

2.1 材料:

§水刀

§QFN無(wú)膠帶引線(xiàn)框架封裝

§BiCMOS晶片

§塑料單元

§檢查與測試設備

2.2 實(shí)驗重點(diǎn)放在主要根源即水刀工序上:

確定問(wèn)題根源并采取相應的糾正措施至關(guān)重要，研究方向主要放在濕法工序上，基于微流程圖分析，水刀工序最有可能是潛在變異的根源。

2.3 剖解水刀工序:

為更好地了解水刀工序，需要逐步分析記錄點(diǎn)，觀(guān)察從材料制備、裝卸到檢查的整個(gè)單元工序。

圖8：水刀工序詳細流程

2.4 識別輸入變化:

運用輸入輸出方法深挖變化因素。經(jīng)過(guò)深入研究，42個(gè)KPIV變量被確定為重要的X因素，如圖9所示。(詳圖見(jiàn)附錄A)

圖9：輸入-輸出工作單

2.5 優(yōu)先考慮因果關(guān)系:

運用因果(CE)矩陣確立輸入變量與X因素的內部關(guān)系，如圖10所示。

(詳圖見(jiàn)附錄B)

圖10：因果矩陣

2.6 FMEA:

項目組還運用FMEA故障模式和影響分析法重新考慮變量關(guān)系。因為電源電流沒(méi)有故障模式，所以考慮從因果矩陣導出的全部KPIV變量，如圖11所示。(詳圖見(jiàn)附錄C)

圖11：故障模式和因果矩陣

2.7 兩個(gè)速效方案:

在完成上面的分析后，立即發(fā)現兩個(gè)(2)速效方案。

圖12：臨時(shí)措施矩陣

實(shí)驗結果分析

A.流程圖

·這個(gè)項目覆蓋18個(gè)流程工序。

·15個(gè)工序或83%是VA（增值），3個(gè)工序或17%是(無(wú)增值)

·未發(fā)現隱藏工廠(chǎng)

·在輸入-輸出工單中發(fā)現42個(gè)潛在X’因素。

B.因果矩陣

·運用因果優(yōu)先性分析法找到5個(gè)潛在的X因素。

C.FMEA

·因為電源電流最初沒(méi)有被識別為故障模式，所以5個(gè)潛在X因素都被視為高風(fēng)險。

D.速效方案

·發(fā)現2個(gè)速效方案

3.1 驗證方案

圖13：驗證方案矩陣

•運用比例測驗法驗證GAP分析法產(chǎn)生的兩個(gè)(2)項目(烘烤測試)

•運用混合水平DOE法驗證三個(gè)X。

(詳圖見(jiàn)附錄D)

3.2 統計檢驗

通過(guò)觀(guān)察圖14的統計假設檢驗結果不難發(fā)現，水刀后面的烘烤工序影響電源電流抑制比。

實(shí)用性結論:電源電流抑制在無(wú)水刀工序時(shí)較低，R-square值為22.78%，可信度高于95%。如果不采用水刀工序，電源電流抑制比較低。

圖14：假設檢驗

3.3 驗證方案

圖15：驗證結果

驗證結果(圖15)顯示，電源電流抑制比受水刀后面的燒烤工序影響，因此，如果無(wú)水刀工序，則抑制比會(huì )降低。

根據已發(fā)現的關(guān)鍵X因素，例如，輸送帶速度、烘烤溫度和水刀壓強，項目小組運用試驗設計方法進(jìn)一步改進(jìn)水刀工序。

(詳圖見(jiàn)附錄E)

3.4 試驗設計(DOE)

運用試驗設計法分析輸送帶速度、烘烤溫度和水刀壓強參數，目標是確定和設置使電源電流失效率最小化的最優(yōu)參數。

圖16所示是試驗設計方案，用于優(yōu)化水刀關(guān)鍵參數。

圖16：試驗設計方案和結果

(詳圖見(jiàn)附錄F)

從試驗設計結果看，當P值是0.0231時(shí)，壓強是影響電源電流抑制比的主要因素。當R-Square值是0.8997時(shí)，壓強與速度交互作用(P值是0.0231)、速度與溫度交互作用(P值是0.0242)、壓強與溫度交互作用(P值0.0405)是影響電源電流抑制比的主要因素。

根據圖17預測剖析圖給出的最優(yōu)設置，最大理想參數是在壓強 = 200psi, 速度 = 3.5m/min，溫度 = 50 degC時(shí)取得的，在這些參數條件下，電源電流抑制比為-0.238+/-1.156，泄漏為0.414+/-1.84，金屬毛刺為1.338+/- 4.63。

在P值 = 0.0231時(shí)，壓強是影響電源電流失效的主要因素；在P值 = 0.0231時(shí)，壓強與速度交互作用也是主要因素；在P值 = 0.0242時(shí)，速度與溫度交互作用是主要因素； 在P值 = 0.0405時(shí)，壓強與溫度交互作用是主要因素，可信度高于95%。

試驗統計發(fā)現，當P值 > 0.05時(shí)，這些主要因素及交互作用不影響泄漏比和金屬毛刺。

圖17：預測刻畫(huà)器剖析表

觀(guān)察預測刻畫(huà)器報表不難發(fā)現，當壓強為200psi，速度為3.5m/min，溫度為50 degC時(shí)，電源電流抑制比、泄漏和金屬毛刺三個(gè)參數取得最優(yōu)值。

3.5 試驗設計(DOE)結論

在P值 = 0.0231時(shí)，壓強是影響電源電流失效的主要因素；在P值 = 0.0231時(shí)，壓強與速度交互作用也是主要因素；在P值 = 0.0242時(shí)，速度與溫度交互作用是主要因素； 在P值 = 0.0405時(shí)，壓強與溫度交互作用是主要因素，可信度高于95%。

試驗統計發(fā)現，當P值 >0.05時(shí)，這些主要因素及交互作用不影響泄漏和金屬毛刺。

圖18：結果驗證矩陣

(詳圖見(jiàn)附錄G)

3.6 水刀是如何影響產(chǎn)品1電源電流失效的？

了解失效機制知識有助于提高統計結果的準確性:

•封裝滲透率或高速水分子引起的摩擦磨損效應隨水刀壓強升高而提高。

•高溫鼓風(fēng)機(相同壓強)使氣體分子動(dòng)能更強，增強摩擦磨損效應。

•膠帶速度效應最有可能影響摩擦磨損（接觸速度），不過(guò)只限于鼓風(fēng)機區，無(wú)水環(huán)境會(huì )逐漸消耗摩擦磨損效應。

3.7 實(shí)現結果

意法半導體卡蘭達工廠(chǎng)取得0.35%的電源電流抑制比(外包廠(chǎng)基準)，較試驗前的5.2%有巨大改進(jìn)。

圖19：電源電流抑制比趨勢分析

圖20：意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)與外包廠(chǎng)比較表

總結:

a.泄漏

-意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)(0.202%)好于外包廠(chǎng)1的生產(chǎn)批次(0.295%)，外包廠(chǎng)2為 0.178%.

b.電源電流

-意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)(0.674%)好于外包廠(chǎng)2的生產(chǎn)批次(1.25%)，外包廠(chǎng)1為 0.314%.

c.Over-all short (SBL 0.5%)

-意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)(0.071%)好于外包廠(chǎng)1的生產(chǎn)批次(0.218%)和外包廠(chǎng)2的1.261%。

3.8 改正預防措施

為將取得的改進(jìn)效果保持下去，需要落實(shí)下面的措施并密切監視落實(shí)情況：

圖21：改正預防措施矩陣

3.9 文檔資料

所有分析活動(dòng)和知識都寫(xiě)成文檔保存，以便在產(chǎn)品量產(chǎn)期間參考?？刂品桨?、FMEA、作業(yè)指導、包括烘烤的新流程均制成文檔保存。

圖22：文檔資料名單

3.10 推廣方案

為了最大限度利用這個(gè)研發(fā)項目的價(jià)值，需要將項目組在研究過(guò)程中所積累的全部知識經(jīng)驗推廣到其它的QFN-MR產(chǎn)品制造過(guò)程。

圖23：推廣表

3.11 成本節省

在對改正措施的效果進(jìn)行驗證后，項目組還估算了這些措施可以節省的成本。

經(jīng)意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)IE核準，總計節省成本38.251萬(wàn)美元。

4.0 結論

本文論述了深度分析統計方法可有效解決最終測試過(guò)程中的電源電流失效問(wèn)題。運用統計分析知識和對數據和缺陷現象的了解，有助于找到缺陷的真正根源。綜合試驗設計降低了水刀工藝對電流失效的負面影響。引入烘烤工序顯著(zhù)降低了單元電測試期間的電流抑制比發(fā)生率。失效率連續降低以及產(chǎn)品電測試良率總體提高，充分證明了驗證糾正措施的正確性及其效果。

5.0 建議

建議長(cháng)期落實(shí)已認可的糾正措施，以穩定電源電流性能。六個(gè)西格馬方法論(逐步深挖問(wèn)題，識別并驗證問(wèn)題根源，在使用現有資源且不大幅增加成本的前提下取得大幅改進(jìn))是解決制造難題的有效手段，在解決類(lèi)似問(wèn)題中應該推廣這種方法。同時(shí)還推薦連續標桿分析法，這有助于企業(yè)改進(jìn)流程，躋身業(yè)界前列。

6.0 鳴謝

本文作者向下列人士致以最真誠的謝意: Jun Bernabe、Mariver Limosinero、Addonyz Antonio以及封裝部門(mén)的全體同仁，感謝他們在這個(gè)項目中給予的全力支持。

我們的家人、朋友、同事、同仁，這個(gè)項目的成功離不開(kāi)他們的全力支持。

特別感謝我們全能的真主，始終保佑我們事業(yè)發(fā)展，生活如意。

7.0 參考文獻

1.IC Assembly handbook

2.BSA (Build Sheet Assembly)

3.SAS – JMP

4.Water jet Machine Manual

5.Package Portfolio Technology Roadmap

8.0 關(guān)于作者

Antonio ‘Dhon’ Sumagpang畢業(yè)于菲律賓科技大學(xué)（馬尼拉校區）電氣工程專(zhuān)業(yè)(BSEE) ，學(xué)士學(xué)位。在半導體工業(yè)從業(yè)16年，擁有豐富的實(shí)際經(jīng)驗。在意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)不同封裝工序工作數年后，現任新產(chǎn)品導入高級工程師，新產(chǎn)品導入項目負責人。在第20屆和第25屆ANTS (ASEMEP國家技術(shù)研討會(huì ))上先后兩次榮獲最佳技術(shù)論文獎。在質(zhì)量競賽中取得無(wú)數獎項，持有Green Belter證書(shū)。

Francis Ann “Pinky” Llana畢業(yè)于圣拉薩爾-巴科洛德大學(xué)化學(xué)工程(BSChE)專(zhuān)業(yè)，學(xué)士學(xué)位，擁有18年的半導體工業(yè)從業(yè)經(jīng)驗，現任意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)高級封裝工程師，負責濕法工藝，例如，銅層后工序蝕刻、化學(xué)去膠、凸點(diǎn)設計和電鍍，在地區和國家質(zhì)量競賽中取得無(wú)數獎項，持有Green Belter證書(shū)。

Ernani D. Padilla畢業(yè)菲律賓東方大學(xué)，特許電子通信工程師，現任意法半導體卡蘭巴工廠(chǎng)高級技術(shù)工程師，領(lǐng)導制造流程工程攻關(guān)小組，擁有注塑和等離子工藝方面專(zhuān)長(cháng)，持有Neville Clark的blackbelt證書(shū)。

附錄A

附錄B

附錄C

附錄D

附錄E

附錄F

附錄G