SPC在鍵合工藝中的應用

劉春巖，李 敏，關亞男，王 偉

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 前言

用統計技術進行過程控制，稱統計過程控制，簡稱SPC。1924年美國貝爾電話實驗室的W.A.Shewhart首創了SPC后，質量管理從“因襲管理”發展到“過程管理。SPC的重要手段是控制圖，控制圖的作用是區分生產過程中質量變異的性質，發現異常變異，及時“報警”，以便技術員采取糾正、預防措施，使過程及時回復穩定。

鍵合工藝在集成電路生產過程中屬于關鍵工藝，每條鍵合絲的質量直接影響到整個電路的質量，更關系到其應用系統的可靠性。由此可見加強鍵合工藝的質量控制是提高產品可靠性的先決條件。為了生產出質量好、可靠性高的微電子產品，工藝過程必須處于“統計受控”狀態。雖然常規控制圖技術在傳統微電子封裝鍵合工藝已應用許多年，但由于多種原因，在生產中還存在一些特殊問題，需要采用不同于常規控制圖的新技術，來反映鍵合工藝的質量。近些年來SPC控制廣泛應用于微電子器件的生產加工工藝中，其中SPC應用于鍵合工藝已成為保證產品質量和可靠性的一項有效手段。

2 SPC實施過程

2.1 工序能力指數

工序能力指數CPK直接反映了工藝成批率的高低，因此定量表征了該工序滿足工藝規范要求的能力。過程能力是指當過程處于受控狀態時過程符合容差范圍的輸出能力。一般用特性值散布的6倍標準差(6σ)衡量。

在生產中，為了綜合表示工藝水平滿足工藝參數規范要求的程度，定義出工序能力指數CPK，常規的CPK計算公式:公差上限，TL公差下限，σ標準差)。在鍵合工藝中一般規范要求鍵合強度高于一個最低值，就是只有公差下限沒有公差上限，則，利用平均值和標準差計算CPK，從CPK值反應出鍵合的質量。本次SPC實施鍵合工藝目標值CPK達到1.33以上。

提高工序能力指數CPK值有三條途徑，其中前兩條的作用是提高潛在的工序能力指數CPK，第三條是在CPK值為一定的情況下進一步提高實際工序能力指數。

(1)通過優化設計，使規范范圍TU－TL盡量大，就是使設計容限擴大。

(2)優化工藝條件或更新設備，使工藝參數的分散盡量小，即減少參數分布的標準偏差σ。

(3)調整工藝條件，精細操作，使工藝分布參數中心，即均值μ與參數范圍中心T/2之間的偏離盡量小。

為了得到較理想的CPK值，優化了人、機、料、法、測、環影響CPK的六大因素。第一，操作員放置未鍵合半成品必須做到緊貼水平放置工作臺上，夾緊夾具，自動對焦，自動鍵合，自動鍵合時半成品不松動，保證鍵合質量。第二，鍵合參數是影響鍵合質量的直接因素。各參數間必須互相匹配、多次調節，不能單一的改變某個值就能達到預想的效果。不同的電路品種在調試好鍵合機的聚焦、照相位、對位點后改變鍵合參數，測量強度得到數據結果，選擇出強度一致性好、強度大的相互匹配的參數作為鍵合參考參數，并儲存到鍵合程序中。同時設備要按時保養和維護，使其長期處在正常工作狀態。第三，管殼和芯片存放或操作過程中受到不同的污染，影響到鍵合質量，采用氬氣100s－300s等離子清洗的方法，將污物或氧化物去除，完全只有金屬間的鍵合，鍵合強度大小和一致性都有明顯提高。第四，測試鍵合強度是根據二力合成原理，為了獲得準確的強度值，必須選好強度測試位置。根據平行四邊形法則，在鍵合絲中間豎直方向上的合力最大，也就是要測的鍵合強度。

2.2 判定規則

(1)均值圖:至少一半或更多的點落在控制限以內。

(2)極差圖:極差圖必須受控，否則GRR的實驗過程必然發生了特殊原因，后面的結果便不可相信。

異常情況:數據點位于控制限以外;連續7個或多余7個點單調上升，或者單調下降;連續3個點至少有2個點超出或低于中心線2倍標準差之外，即高位鏈。極差圖分層(NDC)必須大于5層，否則系統的分辨率不足，會呈現重復性好的假象。

(3)鍵合強度測試儀研究概要

如果總百分比變異列的合計量具可重復性與可再現性(R＆R)貢獻:小于10%—測量系統可接受;在10%－30%—測量系統是否可接受取決于具體應用、成本、維修成本或其他因素;大于30%—測量系統不可接受，并應予以改進。

如果百分比為貢獻率列，則相應的標準為:小于1%—測量系統可接受;在1% －9%—測量系統是否可接受取決于具體應用、成本、維修成本或其他因素;大于9%—測量系統不可接受，并應予以改進。

2.3 操作過程

設備選擇ASM公司的AB559A自動鍵合機，周期240ms/條(2mm)，精度1μm，自動對焦，自校準，自對點系統，可程式控制，鍵合異常是停止鍵和并報警，該鍵合機速度較快，準確度高，鍵合一致性好。

每天啟動鍵合機后，檢查是否正常工作，首件內部目檢和測試合格后進行鍵合操作。上午10點鍵合SPC樣品，內部目檢合格后，取不同位置8條鍵合絲在鍵合強度測試儀上測量鍵合強度，并隨機記錄強度值。將強度值作為一組數據錄入SPC軟件，生成相關圖表。若軟件報警或異常，應立即填寫表單并且通知工程師進行處理。

2.4 鍵合強度測試儀評價

鍵合拉力測試儀屬于影響CPK“測”的環節。鍵合強度的大小直接影響CPK的準確性，所以測試儀的準確度與精度由為重要。本次SPC實施，選用dage4000作為鍵合強度測試設備，鍵合強度測試范圍100g，測試精度為±0.25%。

圖1是不同的操作員鍵合實驗品后錄入的數據，軟件生成的測試儀評價報告。

該鍵合強度測試儀的數據均值極差控制圖無異常，極差圖分層(NDC)大于5層，合計量具可重復性與可再現性(R＆R)百分比變異為9.6%，小于10%，量具可重復性與可再現性(R＆R)百分比貢獻為0.9%，小于1%，滿足SPC數據采集的要求。

3 實施結果

采用ASM公司AB559A全自動鍵合機鍵合操作。每天啟動鍵合機后，檢查是否正常工作，首件檢驗合格后進行鍵合操作。定時鍵合SPC樣品，內部目檢合格后，取不同位置8條鍵合絲在剪切強度鍵合強度測試儀上測量鍵合強度，并隨機記錄強度值;將強度值作為一組數據錄入SPC軟件，生成相關圖表。錄入數據時，如果測定的數值超出鍵合強度控制限;或者連續7點呈上升或者下降趨勢等異常情況時，應立即填寫表單并且通知工程師進行處理。

圖1 鍵合測試儀評價圖

連續取40組，共320個數據。軟件生成數據平均值為 10.7331，平均偏差 0.862，滿足正態分布，得到實際工序能力指數CPK是1.55。圖2和圖3是均值控制圖和標準差控制圖。

鍵合工序SPC實施結果:參數分布屬于正態分布(圖4)，鍵合工序SPC控制圖受控。

實際工序能力CPK評價結果:CPK=1.55，大于目標值1.33，達到SPC實施目標要求。

圖2 均值控制圖

控制上線:11.88，平均值:10.733，控制下線:9.586

圖3 標準差控制圖

控制上線:1.894，平均值:1.043，控制下線:0.193

4 結 束 語

在做SPC之前，鍵合質量問題往往是在測試或篩選中發現，需要向前追溯問題所在，時間上滯后，現場復原難度大。SPC在鍵合工藝上的實施，不僅提高了鍵合質量，還實現了鍵合工藝的時可控性。軟件錄入數據，生成CPK值，用數據直接反應鍵合工藝能力， 在控制圖上生成的點，又直接反應出鍵合狀態，根據判定規則又預見出鍵合工藝是否存在隱患，做到先發現早解決，避免了從后向前反向追查的弊端。

圖4 參數正態分布分布圖

［1］李為柱.ISO9000族標準統計技術應用［M］.北京:企業管理出版社，2001.

［2］賈新章，李京苑.統計過程控制與評價［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2008.