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

摘要

UM16是在意法半導(dǎo)體菲律賓公司生產(chǎn)的首款智能汽車用半導(dǎo)體產(chǎn)品，并且是支持當(dāng)代汽車停車輔助系統(tǒng)最新功能的關(guān)鍵產(chǎn)品。產(chǎn)品如果未能達(dá)到嚴(yán)格的質(zhì)量要求，將會(huì)造成交通事故，導(dǎo)致意法半導(dǎo)體菲律賓公司退出汽車業(yè)務(wù)。 UM16產(chǎn)品良率是所有封裝中最低的，為98.04％，沒有達(dá)到客戶99.5％的良率目標(biāo)。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(tǒng)計(jì)工具，將14個(gè)關(guān)鍵過程輸入變量或潛在原因壓縮到4個(gè)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有意義的導(dǎo)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)間過長、斷尾參數(shù)不合理、貼片前檢查無效，并提出了解決和降低膠覆蓋不良率的預(yù)防方案。我們選擇實(shí)現(xiàn)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(shù)，以及在貼片前檢查工具上安裝雙側(cè)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(jié)省達(dá)到1.686萬美元，節(jié)省新機(jī)器購置費(fèi)20.5萬美元。

1. 定義階段

1.1項(xiàng)目識(shí)別/評(píng)選

1.2項(xiàng)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(xiàng)目符合ST 卡蘭巴工廠年度政策部署

1.3問題識(shí)別/選擇

封裝良率是芯片制造中的KPI關(guān)鍵績效考核指標(biāo)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，沒有達(dá)到客戶99.5％的產(chǎn)品良率目標(biāo)。UM16是ST卡蘭巴工廠制造的第一款汽車產(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(yīng)用

UM16是一款重要的智能汽車芯片，支持停車輔助系統(tǒng)的最新功能，適用于當(dāng)今的各種汽車。質(zhì)量缺陷可能致使產(chǎn)品功能失效，威脅汽車行駛安全，還會(huì)影響客戶對(duì)ST卡蘭巴工廠汽車產(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(fù)責(zé)管理的工作范圍內(nèi)，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)一步分類顯示，機(jī)器頻發(fā)的與出膠量不足缺陷相關(guān)的主要錯(cuò)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(cuò)誤。

圖3：問題定義樹

因此，我們的問題描述是：“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汽車封裝的膠覆蓋不良率為1360 PPM。”

我們向自己發(fā)出挑戰(zhàn)，將目標(biāo)定為把平均成績和最佳成績之間的差距縮減90％，而DMAIC標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)是縮減差距70％。

我們的目標(biāo)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。”

2.測(cè)量階段

2.1分析原因和根本原因

這是我們項(xiàng)目的總體圖， 詳細(xì)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框架注膠。貼片前檢查視覺控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)確定點(diǎn)膠位置。貼片前檢查是點(diǎn)膠機(jī)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(shè)定圖案是否一致。如果膠涂覆在設(shè)定圖案的綠線和紅線之間，則是覆蓋面積合格。PBI貼片前檢查功能還能檢測(cè)膠量過多或不足缺陷，如果發(fā)現(xiàn)這類問題，點(diǎn)膠機(jī)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)。

圖6：點(diǎn)膠和PBI檢查

2.4了解出膠量不足問題

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

圖7:膠覆蓋率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)圖 

2.5分析最可能的原因

從前文流程圖中確定的關(guān)鍵工序開始，項(xiàng)目小組用輸入-輸出檢查表(簡稱“ I-O檢查表)，系統(tǒng)地分析造成出膠量不足的全部潛在原因。每道工序都經(jīng)過仔細(xì)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)。

通過分析潛在因素與“關(guān)鍵質(zhì)量特性分析” (CTQ)的關(guān)系，項(xiàng)目組使用因果矩陣給潛在因素優(yōu)先級(jí)排序。因果矩陣的用途類似于魚骨圖，但因果矩陣功能更為全面，提供的被研究因素與輸出響應(yīng)之間的關(guān)系是可以測(cè)量的。在所有項(xiàng)目都經(jīng)過因果矩陣優(yōu)先級(jí)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(biāo)準(zhǔn)的失效模式和影響工具分析評(píng)估剩余的KPIV變量。

風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性、發(fā)生率和檢測(cè)性分析或FMEA評(píng)分。根據(jù)這些分?jǐn)?shù)計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)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(yàn)證中可以看到，有一項(xiàng)被確定為可能與出膠量不足有關(guān)的變量，在FMEA驗(yàn)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(tǒng)計(jì)方法驗(yàn)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(shí)別根本原因

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

3.2 識(shí)別根本原因 – 點(diǎn)膠機(jī)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(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析。首先是統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證機(jī)器待機(jī)時(shí)間過長，點(diǎn)膠嘴是否堵塞，導(dǎo)致出膠量不足。我們?cè)u(píng)估了0、5、10、15分鐘待機(jī)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(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，獲得的P值為0.0477，機(jī)器待機(jī)15分鐘出膠量發(fā)生明顯變化的置信度為95％。在待機(jī)15分鐘后，觀察到在點(diǎn)膠嘴中有膠堆積現(xiàn)象，這可能導(dǎo)致膠嘴堵塞，出膠異常，膠量不足。不過，在點(diǎn)膠機(jī)待機(jī)達(dá)到10分鐘前，未發(fā)現(xiàn)出膠量不足缺陷。

圖9：識(shí)別根本原因–機(jī)器閑置時(shí)點(diǎn)膠嘴堵塞

3.3識(shí)別根本原因–膠暫置時(shí)間過長而變干

第二個(gè)是統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證膠暫置時(shí)間或干燥時(shí)間。膠干燥時(shí)間又稱定形時(shí)間或濕法上膠時(shí)間，是樹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)膠開始到芯片拾放或貼片為止。使用雙樣本比例檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，得出P值為0.0106。在75分鐘時(shí)膠反應(yīng)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(dǎo)致膠覆蓋率降低。在干燥時(shí)間達(dá)到60分鐘前，未發(fā)現(xiàn)膠覆蓋不足問題。

圖10：識(shí)別根本原因–環(huán)氧膠暫置時(shí)間過長變干

3.4 識(shí)別根本原因–斷尾參數(shù)不合理，可能致使點(diǎn)膠異常

第三個(gè)是統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證斷尾參數(shù)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(shù)與膠覆蓋不足的正相關(guān)性很強(qiáng)，置信度為95％。當(dāng)膠嘴抬起過快，致使點(diǎn)膠尾部過程中斷，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(shí)別–未優(yōu)化的斷尾參數(shù)可能導(dǎo)致環(huán)氧樹脂不規(guī)則分配

3.5識(shí)別根本原因–貼片前檢查可靠性低

項(xiàng)目組驗(yàn)證了當(dāng)前PBI檢測(cè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，使用Attribute MSA(測(cè)量系統(tǒng)分析)分析方法確定貼片前檢查視覺系統(tǒng)是否仍然可以可靠地發(fā)現(xiàn)膠覆蓋率低的問題。Attribute MSA報(bào)告顯示，當(dāng)前的PBI檢查結(jié)果無效且不可接受。在粗糙的引線框架上，由于焊盤變暗，機(jī)器檢查無法完全檢測(cè)出第9列到第11列的覆膠圖案。在粗糙引線框表面上對(duì)比度發(fā)生變化，導(dǎo)致貼片對(duì)準(zhǔn)和膠覆蓋檢查錯(cuò)誤頻發(fā)。

圖12：識(shí)別根本原因-貼片前檢查可靠性低

在確定貼片前檢查有問題之后，為找出導(dǎo)致檢測(cè)不良的可能原因，我們用不同的砧塊平面度和引線框架粗糙度測(cè)量值做了一系列統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，總體數(shù)據(jù)檢驗(yàn)得到P值> 0.5，貼片前檢查的檢測(cè)不良率沒有顯著差異的置信度為95％，但是，在引線框類型測(cè)量時(shí)，檢測(cè)不良率卻存在明顯差異，標(biāo)準(zhǔn)PPF引線框架沒有遇到PBI問題，如圖15所示。

圖13：砧座平面度

圖14：引線框焊盤的粗糙度

在對(duì)6個(gè)KPIV類別進(jìn)行全部統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證之后，我們確定有4個(gè)KPIV是具有統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)

根據(jù)機(jī)器OEM廠商分析，當(dāng)前的貼片機(jī)PBI裝置無法檢測(cè)到粗糙引線框架上的覆膠圖案，建議換用售價(jià)20.5萬美元的最新機(jī)型，這不切實(shí)際，項(xiàng)目小組需要找到替代的解決方案。

4.2 查閱相關(guān)文獻(xiàn)

為尋找替代解決方案，項(xiàng)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。

為解決引線框架上的光對(duì)比度反差大和不均衡的問題，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框架焊盤的深色圖像。因?yàn)楣饩€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(píng)估

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

表1：選擇標(biāo)準(zhǔn)

4.4替代解決方案

經(jīng)過小組評(píng)估，每個(gè)項(xiàng)目確定4個(gè)應(yīng)對(duì)措施，選擇評(píng)分最高的應(yīng)對(duì)措施解決出膠量不足的真正原因。通過統(tǒng)計(jì)分析法驗(yàn)證這些應(yīng)對(duì)措施。

表2：選擇最佳的替代方案

4.5斷尾參數(shù)優(yōu)化方案

實(shí)用結(jié)論：DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等高線和曲面圖的分析結(jié)果建議，將斷尾延時(shí)參數(shù)范圍設(shè)定在100-300 ms之間，斷尾偏移量設(shè)為250-450點(diǎn)。

圖17：使用DOE優(yōu)化斷尾參數(shù)

4.6貼片前檢查裝置優(yōu)化方案

實(shí)用結(jié)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(bào)告表明，在安裝雙面照明的超亮光源后，新PBI工具的檢測(cè)控制功能有效且可以接受。

圖19 : Attribute MSA

4.7分析潛在問題

在實(shí)現(xiàn)最佳解決方案之前，我們進(jìn)行了潛在問題分析，確定了應(yīng)對(duì)措施，以解決在實(shí)施過程中可能出現(xiàn)的潛在問題。

4.8解決方案實(shí)現(xiàn)計(jì)劃

在2018年5月至8月，我們用計(jì)劃-執(zhí)行-檢查-改進(jìn)PDCA方法，實(shí)現(xiàn)了最終確定的最佳解決方案。

表3：解決方案實(shí)施計(jì)劃

表4：潛在問題分析

4.9實(shí)現(xiàn)最佳解決方案

以下內(nèi)容描述了已實(shí)現(xiàn)的最佳解決方案的詳細(xì)信息以及其錯(cuò)誤預(yù)防程度。

表5：實(shí)現(xiàn)最佳解決方案

4.10實(shí)現(xiàn)成果

在執(zhí)行預(yù)定應(yīng)對(duì)措施后，2018年最后一個(gè)季度，我們觀察到，UM16的環(huán)氧膠覆蓋不良率平均為2 PPM，優(yōu)于300 PPM的目標(biāo)，提高了99.8％。

IE部門計(jì)算并證明，從2018年8月所有最佳解決方案執(zhí)行后開始計(jì)算，年化節(jié)省成本1.686萬美元。

圖20：UM16 膠覆蓋不良率PPM趨勢(shì)

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％，超過了99.5％的良率目標(biāo)。

圖21：UM16封裝和貼片良率

與出膠量不足有關(guān)的機(jī)器錯(cuò)誤率下降，TUD計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間也從平均15％減少到4％，這使我們能夠達(dá)到每臺(tái)機(jī)器日裝載量(DLC)從25 K到35 K的目標(biāo)。

圖22：UM16機(jī)器錯(cuò)誤日志

5. 控制階段 

5.1標(biāo)準(zhǔn)化

因?yàn)槲覀冎缿?yīng)對(duì)措施的一致性和可持續(xù)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(zhí)行的全部改進(jìn)措施。同樣，還召集所有相關(guān)人員開了工作部署會(huì)議。

表6：標(biāo)準(zhǔn)化

5.2 結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化

在接受最佳解決方案的有效性之后，在適用機(jī)器和有相同粗糙引線框架的產(chǎn)品中安排執(zhí)行創(chuàng)新推廣計(jì)劃，復(fù)制成果。

標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果表明，其他的采用粗糙引線框架的封裝同樣降低了膠覆蓋不良率PPM。

圖23：結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化