【導(dǎo)讀】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。
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）。
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。
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。
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 300PPM。”
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
4.4 替代解決方案
表 2：選擇最佳的替代方案
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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)。
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。
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。
（來源：意法半導(dǎo)體，作者：Michael Capili；Leandro Saria；Rodrigo Manalo；Reneil Pormilda；Robert Hidalgo）
（來源：意法半導(dǎo)體，作者：Michael Capili；Leandro Saria；Rodrigo Manalo；Reneil Pormilda；Robert Hidalgo）
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