突破性的創(chuàng )新解決方案可降低UM16汽車(chē)芯片環(huán)氧膠覆蓋不良率PPM

摘要

UM16是在意法半導體菲律賓公司生產(chǎn)的首款智能汽車(chē)用半導體產(chǎn)品，并且是支持當代汽車(chē)停車(chē)輔助系統最新功能的關(guān)鍵產(chǎn)品。產(chǎn)品如果未能達到嚴格的質(zhì)量要求，將會(huì )造成交通事故，導致意法半導體菲律賓公司退出汽車(chē)業(yè)務(wù)。 UM16產(chǎn)品良率是所有封裝中最低的，為98.04％，沒(méi)有達到客戶(hù)99.5％的良率目標。在2018年4月產(chǎn)品發(fā)布期間，造成貼片缺陷的主要原因是1360 PPM的環(huán)氧膠覆蓋不良率。為了提高UM16整體封裝良率，我們需要在2018年第四季度末之前，將貼片工藝中的環(huán)氧膠覆蓋不良率從1360 PPM降低到300 PPM。我們采用六西格瑪DMAIC方法及其適用的統計工具，將14個(gè)關(guān)鍵過(guò)程輸入變量或潛在原因壓縮到4個(gè)在統計學(xué)上有意義的導致環(huán)氧膠覆蓋率低的主要真實(shí)原因：點(diǎn)膠嘴堵塞、膠干燥時(shí)間過(guò)長(cháng)、斷尾參數不合理、貼片前檢查無(wú)效，并提出了解決和降低膠覆蓋不良率的預防方案。我們選擇實(shí)現四個(gè)突破性的創(chuàng )新解決方案：每10分鐘自動(dòng)清潔一次點(diǎn)膠嘴、60分鐘膠干燥容許時(shí)間、優(yōu)化斷尾參數，以及在貼片前檢查工具上安裝雙側照明超亮光源。這些解決方案是將膠覆蓋不良率降到平均2 PPM的關(guān)鍵，讓公司年化資金節省達到1.686萬(wàn)美元，節省新機器購置費20.5萬(wàn)美元。

1. 定義階段

1.1項目識別/評選

1.2項目與ST卡蘭巴公司的年度政策的相關(guān)性

我們的業(yè)務(wù)案例與ST蘭巴后工序制造和技術(shù)公司的2018年政策部署中的提高封裝良率相關(guān)，支持ST提高制造效率的年度首要工作（圖2）。

圖2 2018年項目符合ST 卡蘭巴工廠(chǎng)年度政策部署

1.3問(wèn)題識別/選擇

封裝良率是芯片制造中的KPI關(guān)鍵績(jì)效考核指標之一，在2018年4月產(chǎn)品發(fā)布期間，UM16封裝良率為98.04％，在所有產(chǎn)品中最低，沒(méi)有達到客戶(hù)99.5％的產(chǎn)品良率目標。UM16是ST卡蘭巴工廠(chǎng)制造的第一款汽車(chē)產(chǎn)品。因此，必須集中力量把這個(gè)產(chǎn)品做好。

圖4 產(chǎn)品應用

UM16是一款重要的智能汽車(chē)芯片，支持停車(chē)輔助系統的最新功能，適用于當今的各種汽車(chē)。質(zhì)量缺陷可能致使產(chǎn)品功能失效，威脅汽車(chē)行駛安全，還會(huì )影響客戶(hù)對ST卡蘭巴工廠(chǎng)汽車(chē)產(chǎn)品的形象和信心。

UM16貼片工藝的良率為98.36％，是該產(chǎn)品良率最低的封裝工藝之一。在我們負責管理的工作范圍內，出膠量不足是貼片的首要缺陷，因此，我們集中精力降低1360 PPM的膠覆蓋不良率。排序圖的進(jìn)一步分類(lèi)顯示，機器頻發(fā)的與出膠量不足缺陷相關(guān)的主要錯誤是膠覆蓋率低，其次是膠覆蓋面積不合格、膠涂覆形狀太大/太小錯誤。

圖3：?jiǎn)?wèn)題定義樹(shù)

因此，我們的問(wèn)題描述是：“在2018年4月產(chǎn)品發(fā)布期間，因貼片工藝出膠量不足缺陷，UM16汽車(chē)封裝的膠覆蓋不良率為1360 PPM?！?/p>

我們向自己發(fā)出挑戰，將目標定為把平均成績(jì)和最佳成績(jì)之間的差距縮減90％，而DMAIC標準目標是縮減差距70％。

我們的目標描述是：“到2018年第四季度末，將UM16產(chǎn)品貼片膠覆蓋不良率從1360降到300 PPM?！?/p>

2.測量階段

2.1分析原因和根本原因

這是我們項目的總體圖， 詳細描述了貼片工藝流程，整個(gè)工藝共有6個(gè)工序，并且我們確定點(diǎn)膠和貼片前檢查是關(guān)鍵工序。

圖5:貼片工藝流程圖

2.3 了解點(diǎn)膠和貼片前檢查工序

點(diǎn)膠針或點(diǎn)膠嘴按照控制的膠量向引線(xiàn)框架注膠。貼片前檢查視覺(jué)控制系統負責確定點(diǎn)膠位置。貼片前檢查是點(diǎn)膠機的一個(gè)出膠量檢查功能，在貼片前先檢查膠的實(shí)際覆蓋圖案與設定圖案是否一致。如果膠涂覆在設定圖案的綠線(xiàn)和紅線(xiàn)之間，則是覆蓋面積合格。PBI貼片前檢查功能還能檢測膠量過(guò)多或不足缺陷，如果發(fā)現這類(lèi)問(wèn)題，點(diǎn)膠機會(huì )自動(dòng)報警并停機。

圖6：點(diǎn)膠和PBI檢查

2.4了解出膠量不足問(wèn)題

環(huán)氧膠應均勻涂覆在芯片下面。如果在芯片的每一面上沒(méi)有100％涂膠，則被認為是出膠量不足。

圖7:膠覆蓋率評價(jià)標準圖 

2.5分析最可能的原因

從前文流程圖中確定的關(guān)鍵工序開(kāi)始，項目小組用輸入-輸出檢查表(簡(jiǎn)稱(chēng)“ I-O檢查表)，系統地分析造成出膠量不足的全部潛在原因。每道工序都經(jīng)過(guò)仔細檢查，從關(guān)鍵流程輸入變量KPIV中找出潛在的X原因。最后，有14個(gè)KPIV變量被確定是與出膠量不足相關(guān)。

通過(guò)分析潛在因素與“關(guān)鍵質(zhì)量特性分析” (CTQ)的關(guān)系，項目組使用因果矩陣給潛在因素優(yōu)先級排序。因果矩陣的用途類(lèi)似于魚(yú)骨圖，但因果矩陣功能更為全面，提供的被研究因素與輸出響應之間的關(guān)系是可以測量的。在所有項目都經(jīng)過(guò)因果矩陣優(yōu)先級排序后，最初在輸入-輸出檢查表中確定的KPIV變量從14個(gè)減少到7個(gè)。用標準的失效模式和影響工具分析評估剩余的KPIV變量。

風(fēng)險的嚴重性、發(fā)生率和檢測性分析或FMEA評分。根據這些分數計算出風(fēng)險優(yōu)先級或RPN值。RPN值越高，KPIV變量越重要。最終，使用FMEA RPN值選擇了6個(gè)KPIV變量。

從這個(gè)FMEA驗證中可以看到，有一項被確定為可能與出膠量不足有關(guān)的變量，在FMEA驗證中被視為速效方案(Quick Wins)。圖8是我們的X漏斗檢查表摘要。在分析階段采用統計方法驗證剩下的6個(gè)KPIV變量或潛在原因。

圖8：X漏斗檢查表

3.分析階段

3.1分析識別根本原因

我們用統計方法分析了剩余的六個(gè)因素或潛在原因，使用適合的統計工具檢查這些因素對出膠量不足缺陷的重要影響。

3.2 識別根本原因 – 點(diǎn)膠機閑置時(shí)膠嘴堵塞

為確定出膠量不足的根本原因，我們進(jìn)行了三項統計分析。首先是統計驗證機器待機時(shí)間過(guò)長(cháng)，點(diǎn)膠嘴是否堵塞，導致出膠量不足。我們評估了0、5、10、15分鐘待機時(shí)間，然后檢查出膠量是否隨時(shí)間變化。使用雙樣本比例檢驗進(jìn)行統計檢驗，獲得的P值為0.0477，機器待機15分鐘出膠量發(fā)生明顯變化的置信度為95％。在待機15分鐘后，觀(guān)察到在點(diǎn)膠嘴中有膠堆積現象，這可能導致膠嘴堵塞，出膠異常，膠量不足。不過(guò)，在點(diǎn)膠機待機達到10分鐘前，未發(fā)現出膠量不足缺陷。

圖9：識別根本原因–機器閑置時(shí)點(diǎn)膠嘴堵塞

3.3識別根本原因–膠暫置時(shí)間過(guò)長(cháng)而變干

第二個(gè)是統計驗證膠暫置時(shí)間或干燥時(shí)間。膠干燥時(shí)間又稱(chēng)定形時(shí)間或濕法上膠時(shí)間，是樹(shù)脂混合材料膠凝或變稠到不再能拉伸所用時(shí)間。膠干燥時(shí)間從點(diǎn)膠開(kāi)始到芯片拾放或貼片為止。使用雙樣本比例檢驗進(jìn)行統計檢驗，得出P值為0.0106。在75分鐘時(shí)膠反應發(fā)生明顯變化的置信度為95％。在貼片工序中，干燥75分鐘的膠不再能拉伸或者涂覆，膠變干燥導致膠覆蓋率降低。在干燥時(shí)間達到60分鐘前，未發(fā)現膠覆蓋不足問(wèn)題。

圖10：識別根本原因–環(huán)氧膠暫置時(shí)間過(guò)長(cháng)變干

3.4 識別根本原因–斷尾參數不合理，可能致使點(diǎn)膠異常

第三個(gè)是統計驗證斷尾參數和膠覆蓋不足之間的關(guān)系。斷尾偏移量是膠嘴在斷尾延時(shí)之前向上移動(dòng)的高度。斷尾延時(shí)是指膠嘴在移動(dòng)到下一個(gè)焊盤(pán)位置之前在實(shí)際點(diǎn)膠位置上的停留時(shí)間。相關(guān)性分析表明，斷尾參數與膠覆蓋不足的正相關(guān)性很強，置信度為95％。當膠嘴抬起過(guò)快，致使點(diǎn)膠尾部過(guò)程中斷，覆膠圖案殘缺不全，發(fā)生膠覆蓋不足的缺陷。

圖11：根本原因識別–未優(yōu)化的斷尾參數可能導致環(huán)氧樹(shù)脂不規則分配

3.5識別根本原因–貼片前檢查可靠性低

項目組驗證了當前PBI檢測控制系統的準確性和有效性，使用Attribute MSA(測量系統分析)分析方法確定貼片前檢查視覺(jué)系統是否仍然可以可靠地發(fā)現膠覆蓋率低的問(wèn)題。Attribute MSA報告顯示，當前的PBI檢查結果無(wú)效且不可接受。在粗糙的引線(xiàn)框架上，由于焊盤(pán)變暗，機器檢查無(wú)法完全檢測出第9列到第11列的覆膠圖案。在粗糙引線(xiàn)框表面上對比度發(fā)生變化，導致貼片對準和膠覆蓋檢查錯誤頻發(fā)。

圖12：識別根本原因-貼片前檢查可靠性低

在確定貼片前檢查有問(wèn)題之后，為找出導致檢測不良的可能原因，我們用不同的砧塊平面度和引線(xiàn)框架粗糙度測量值做了一系列統計驗證，總體數據檢驗得到P值> 0.5，貼片前檢查的檢測不良率沒(méi)有顯著(zhù)差異的置信度為95％，但是，在引線(xiàn)框類(lèi)型測量時(shí)，檢測不良率卻存在明顯差異，標準PPF引線(xiàn)框架沒(méi)有遇到PBI問(wèn)題，如圖15所示。

圖13：砧座平面度

圖14：引線(xiàn)框焊盤(pán)的粗糙度

在對6個(gè)KPIV類(lèi)別進(jìn)行全部統計驗證之后，我們確定有4個(gè)KPIV是具有統計學(xué)意義的真實(shí)原因。

改進(jìn)階段

4.0制定解決方案

4.1基準

根據機器OEM廠(chǎng)商分析，當前的貼片機PBI裝置無(wú)法檢測到粗糙引線(xiàn)框架上的覆膠圖案，建議換用售價(jià)20.5萬(wàn)美元的最新機型，這不切實(shí)際，項目小組需要找到替代的解決方案。

4.2 查閱相關(guān)文獻

為尋找替代解決方案，項目小組鉆研光影科學(xué)原理，進(jìn)一步了解貼片前檢查背后的科學(xué)，并提出新的想法。

為解決引線(xiàn)框架上的光對比度反差大和不均衡的問(wèn)題，小組提出了一個(gè)新的想法，用亮度更高的光源，去除覆膠圖案中的粗糙引線(xiàn)框架焊盤(pán)的深色圖像。因為光線(xiàn)越亮，陰影越暗，所以，消除陰影，我們需要一個(gè)反射鏡照射陰影。

4.3 替代方案評估

在識別真實(shí)原因之后，我們提出了所有的替代解決方案，并評定預防程度、效果、成本、風(fēng)險和安全性。預防是我們識別替代解決方案的指南。

表1：選擇標準

4.4替代解決方案

經(jīng)過(guò)小組評估，每個(gè)項目確定4個(gè)應對措施，選擇評分最高的應對措施解決出膠量不足的真正原因。通過(guò)統計分析法驗證這些應對措施。

表2：選擇最佳的替代方案

4.5斷尾參數優(yōu)化方案

實(shí)用結論：DOE實(shí)驗設計等高線(xiàn)和曲面圖的分析結果建議，將斷尾延時(shí)參數范圍設定在100-300 ms之間，斷尾偏移量設為250-450點(diǎn)。

圖17：使用DOE優(yōu)化斷尾參數

4.6貼片前檢查裝置優(yōu)化方案

實(shí)用結論：

DOE交互作用圖顯示，為了提高良率，我們需要在PBI上安裝雙面照明的超亮光源。

圖18：使用DOE優(yōu)化貼片前檢查裝置

MSA屬性報告表明，在安裝雙面照明的超亮光源后，新PBI工具的檢測控制功能有效且可以接受。

圖19 : Attribute MSA

4.7分析潛在問(wèn)題

在實(shí)現最佳解決方案之前，我們進(jìn)行了潛在問(wèn)題分析，確定了應對措施，以解決在實(shí)施過(guò)程中可能出現的潛在問(wèn)題。

4.8解決方案實(shí)現計劃

在2018年5月至8月，我們用計劃-執行-檢查-改進(jìn)PDCA方法，實(shí)現了最終確定的最佳解決方案。

表3：解決方案實(shí)施計劃

表4：潛在問(wèn)題分析

4.9實(shí)現最佳解決方案

以下內容描述了已實(shí)現的最佳解決方案的詳細信息以及其錯誤預防程度。

表5：實(shí)現最佳解決方案

4.10實(shí)現成果

在執行預定應對措施后，2018年最后一個(gè)季度，我們觀(guān)察到，UM16的環(huán)氧膠覆蓋不良率平均為2 PPM，優(yōu)于300 PPM的目標，提高了99.8％。

IE部門(mén)計算并證明，從2018年8月所有最佳解決方案執行后開(kāi)始計算，年化節省成本1.686萬(wàn)美元。

圖20：UM16 膠覆蓋不良率PPM趨勢

UM16貼片良率從99.36％提高到99.98％，良率提高了62％?？傮w而言， 2018年4月到12月，UM16芯片良率提高，保持在99.68％，超過(guò)了99.5％的良率目標。

圖21：UM16封裝和貼片良率

與出膠量不足有關(guān)的機器錯誤率下降，TUD計劃外停機時(shí)間也從平均15％減少到4％，這使我們能夠達到每臺機器日裝載量(DLC)從25 K到35 K的目標。

圖22：UM16機器錯誤日志

5. 控制階段 

5.1標準化

因為我們知道應對措施的一致性和可持續性十分重要，所以小組創(chuàng )建了所有相關(guān)文件資料，以反映我們所執行的全部改進(jìn)措施。同樣，還召集所有相關(guān)人員開(kāi)了工作部署會(huì )議。

表6：標準化

5.2 結果標準化

在接受最佳解決方案的有效性之后，在適用機器和有相同粗糙引線(xiàn)框架的產(chǎn)品中安排執行創(chuàng )新推廣計劃，復制成果。

標準化結果表明，其他的采用粗糙引線(xiàn)框架的封裝同樣降低了膠覆蓋不良率PPM。

圖23：結果標準化