基于六西格瑪?shù)碾娮臃庋b內(nèi)電容橋接問題研究

陳勝利 范菲雅 王子偉

摘 要：本課題通過公司的實際案例來介紹如何分析半導(dǎo)體封裝制造后產(chǎn)生重復(fù)發(fā)生并且極低不良率的失效。六西格瑪改進辦法是一套有效的改善辦法，已經(jīng)被應(yīng)用到很多案例之中。A公司通過六西格瑪改善方法來優(yōu)化生產(chǎn)流程，徹底解決這類失效同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：六西格瑪；電容橋接；失效分析；極低不良率

中圖分類號： F273；F416.6 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）12-34-3

1 課題研究的意義

A公司是一家通過電子制造封裝設(shè)計生產(chǎn)企業(yè)，封裝產(chǎn)品主要被應(yīng)用消費電子產(chǎn)品如各類移動設(shè)備上。隨著市場迅速發(fā)展，難以有效解決的不良不僅造成客戶投訴還會給公司帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)水平，必須應(yīng)用有效的改進方法來解決問題。六西格瑪是公認(rèn)的有效的質(zhì)量改善方法，已經(jīng)被眾多企業(yè)廣泛采用。本課題介紹A公司通過六西格瑪DMAIC改善方法提高產(chǎn)品質(zhì)量并優(yōu)化生產(chǎn)流程。

2 問題描述和失效分析

本文專注于運用DMAIC方法解決半導(dǎo)體封裝中罕見的回流爐后電容發(fā)生焊錫橋接問題。此次發(fā)生的電容橋接問題是在客戶端匯流爐之后的封裝類型失效。通過不良品進行重新測試；發(fā)現(xiàn)在廠內(nèi)測試環(huán)節(jié)和質(zhì)量抽檢完全可以將不良攔截下來。

進行物理失效分析客退樣品，進一步確認(rèn)發(fā)生是由于電容本體表面發(fā)生了金屬橋接引起電源短路。橋接的位置發(fā)生在電容表面和模封塑料結(jié)合的界面之間，并且橋接的金屬層厚度有10到20微米左右。（圖1所示）

通過能譜儀分析橋接物質(zhì)；其主要成分為焊錫SnAgCu合金其熔點為217℃左右。只有回流爐才有觸發(fā)焊錫發(fā)生橋接的溫度條件（峰值溫度260℃）；因此這類失效只會發(fā)生在經(jīng)過回流爐以后會發(fā)生。通過抽檢篩選和反復(fù)回流爐實驗，發(fā)現(xiàn)每次都會有新的焊錫橋接失效產(chǎn)生。但最終統(tǒng)計所有發(fā)現(xiàn)的不良率卻很低只有大約200dppm。這給判斷哪個工藝流程或參數(shù)異常帶來困難；而且這也說明失效會重復(fù)發(fā)生所以不良的風(fēng)險極大。

3 成因分析魚骨圖

通過生產(chǎn)流程參數(shù)篩查和來料材料特性分析都沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常可以解釋這種極低PPM的不良。為了更好地找到問題成因，使用魚骨圖分析法從人，機器，材料，方法，環(huán)境，測量六個方面一起研究焊錫橋接的成因；研究結(jié)果以魚骨圖的方式表現(xiàn)出來（圖2所示）：

通過人，機器，材料，方法，環(huán)境和測量六個方面推測可能導(dǎo)致電容焊錫橋接的各種因素。由于用測量系統(tǒng)分析和材料分析手段確認(rèn)了都沒有異常；焊錫量應(yīng)該是最大的影響因素。因此焊錫量對比是下一步需要研究的重點。

4 焊錫量和數(shù)據(jù)分析

通過成因分析確定焊錫量對焊錫橋接問題有很大的影響。但是在實際生產(chǎn)檢測過程中沒有方法能對焊錫量進行檢測，因此需要利用前文提到的失效分析方法通過抽樣對比分析來確認(rèn)焊錫量是否存在異常。

4.1 焊錫量

焊錫是指用來焊接電容等電子元器件到PCB板和基板的金屬合金，它同時也起到導(dǎo)通電子元機件和線路的作用。在SMT中主要用印刷錫膏到開口鋼板蓋住的PCB板或基板將錫膏印刷在焊盤上面，再將電子元器件上件到錫膏上面。經(jīng)過回流爐后，將錫膏內(nèi)的助焊劑等活性成分蒸發(fā)后便留下焊錫焊接住電容。焊錫的含量主要由印刷上去的錫膏體積決定，錫膏的體積又由2個因素決定：①印刷鋼板厚度；②焊盤面積

因為SMT完成后的焊錫是不規(guī)則形狀并且依附在電容兩端端子上，只能大體觀測其大小但是沒有精確界定其體積是否出現(xiàn)異常的方法。為了研究焊錫量；用到物理失效分析中金相切片分析的方法統(tǒng)計焊錫高度來表征實際焊錫量。具體方法是找出影響批次產(chǎn)品并對焊錫進行水平切片分析。然后用用測量顯微鏡測量焊錫高度，通過對比大量影響批次樣品的焊錫高度分析其數(shù)據(jù)分布可以分析焊錫量是否出現(xiàn)異常。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過調(diào)取庫存不良批次，影響批次和正常批次進行切片分析。如圖3所示，需要統(tǒng)計焊錫4個位置的高度。位置1和位置4是表示電容兩端端子的爬錫高度，位置2和位置4是表示電容兩端端子底部的焊錫高度。通過比較測量數(shù)據(jù)，發(fā)生電容橋接的不良批次和受影響批次的4個位置的焊錫高度有明顯不同，不良批次焊錫高度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常批次。

利用微積分可以計算焊錫體積-公式：體積Vsolder=f（x，y）dxdy；S-焊錫底部體積；H-焊錫高度。焊錫底部對焊盤是完全浸潤的，因此假設(shè)焊錫的底部面積S是一樣的；所以決定焊錫體積的唯一因素就只有焊錫高度。通過切片分析后發(fā)現(xiàn)不良批次和影響批次焊錫高度偏高說明不良批次的焊錫量明顯高于正常批次。通過數(shù)據(jù)分析還發(fā)現(xiàn)實際在好的批次中舊庫存未受影響批次中也出現(xiàn)焊錫高度增加的趨向，說明在未受影響批次中也會有發(fā)生焊錫橋接問題的較大風(fēng)險。

在生產(chǎn)流程中錫膏厚度會進行監(jiān)測，通過重新調(diào)查過歷史錫膏量記錄發(fā)現(xiàn)厚度并未超出標(biāo)準(zhǔn)值并且也未顯示明顯趨勢或異常。所以懷疑失效并非是由單個過程導(dǎo)致，而是由于封裝本身設(shè)計不良的潛在風(fēng)險導(dǎo)致的邊界問題。

5 改進和效果驗證

根據(jù)原因分析的結(jié)論，錫膏量是引起焊錫橋接的最重要因素。而控制錫膏量可以通過更改錫膏印刷鋼板來完成；同時對基板版圖的設(shè)計也增加了更新。錫膏印刷鋼板的厚度會決定在焊盤上面錫膏的厚度，因此印刷鋼板的厚度和開口大小是控制焊錫量的重要因素。

5.1 基板焊盤設(shè)計改進

基板焊盤是用來提供承載錫膏并且最終和形成的焊錫連接一起。用于表面貼裝電子元器件的焊盤結(jié)構(gòu)有兩種：一種是非阻焊層限定，另外一種是阻焊層限定。

非阻焊層限定，英文簡稱：NSMD； 是指金屬焊盤小于阻焊層開口。所以在表層布線電路板的NSMD焊盤上印刷電路導(dǎo)線的一部分將會受到焊錫的浸潤。

阻焊層限定，英文名稱：SMD；是指阻焊層開口小于金屬焊盤。電路板設(shè)計可以自己定義形狀位置或者焊盤的額定尺寸，因此阻焊層開口可以控制實際焊盤開口的尺寸。

由于這種電容幾乎是電子元器件里面用到的最小的電容，在改善之前一直使用非阻焊層限定設(shè)計的基板焊盤。因為這種設(shè)計可以將阻焊層開口設(shè)計的更大從而保證在模塑時候模塑料的流動性。而對比發(fā)現(xiàn)另外一種采用的阻焊層限定的基板焊盤的電容從來沒有發(fā)生過焊錫橋接的現(xiàn)象，這說明這種阻焊層限定的基板焊盤設(shè)計可以有效阻止焊錫橋接問題的產(chǎn)生，因此將問題電容的基板設(shè)計也統(tǒng)一改稱阻焊層限定的基板焊盤。而且額外在焊盤中間的阻焊層設(shè)計了一個長方形開口。這樣的好處在于既可以引導(dǎo)模塑料進入阻焊層開口保證模塑料在電容底部的流動性也可以在問題電容上面使用阻焊層限定設(shè)計的基板焊盤。同時確認(rèn)它也能改變模塑料和電容中間的應(yīng)力分布可以減少潛在發(fā)生電容焊錫橋接發(fā)生的機率。

5.2 印刷鋼板設(shè)計改善

根據(jù)工程試驗結(jié)果確認(rèn)0.06mm厚度的錫膏印刷鋼板在試驗中沒有發(fā)現(xiàn)有焊錫橋接的現(xiàn)象，因此屬于比較安全的厚度。所以將SMT工藝所有錫膏印刷鋼板厚度都減小到0.06mm。并且為了鞏固改善效果同時還將印刷鋼板的開口面積減少。

減小鋼板開口面積是通過減小鋼板寬度實現(xiàn)的-從原來的265mm減小到200mm，這樣鋼板開口面積可以減少到之前面積的75.4%。

5.3 焊錫量改善效果

從鋼板開口面積減少再加上鋼板厚度減少為0.06mm，整體錫膏盒焊錫量減少到改善之前的45%左右。通過對比金相切片照片也確認(rèn)焊錫高度在改善后確實有明顯縮小。統(tǒng)計更改后錫膏厚度測量CPK保持在1.53到1.75之間；說明其制程能力還屬于優(yōu)良制程完全可以滿足生產(chǎn)工藝的要求。

6 控制措施

找到失效原因和實施控制措施之后，更加重要的是保證這些改進措施得到有效控制。在控制措施中，對錫膏印刷進行統(tǒng)計過程控制或SPC控制來監(jiān)測錫膏印刷品質(zhì)是否存在異常。統(tǒng)計過程控制，又簡稱SPC， 這是一種用數(shù)理統(tǒng)計方法的一種常用過程控制工具。它能夠?qū)嶋H生產(chǎn)過程進行分析和評價并保證過程在受控同時有能力的狀態(tài)下進行，從而使產(chǎn)品或服務(wù)能穩(wěn)定地滿足客戶要求。

6.1 錫膏厚度SPC

錫膏厚度直接影響到焊錫量，所以錫膏印刷是最需要進行控制和監(jiān)測的流程。在實際生產(chǎn)中，用SPC控制圖來檢測錫膏厚度是否存在微小偏差。由于SPC可以有各個時間段的連續(xù)記錄；同時記錄不同時間點數(shù)據(jù)是否存在異常。

6.2 焊錫推力

焊錫推力測試是測試焊錫強度能否滿足生產(chǎn)工藝要求。利用推力計逃上推力夾具，在測試時與基板約呈30°～50°。從電容寬處去推將電容除去所用的力，標(biāo)準(zhǔn)是不小于250g.f。通過改善措施將焊錫量減少會導(dǎo)致焊錫和焊盤結(jié)合強度降低，需要持續(xù)檢測避免焊錫強度降低超出生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)。通過一段時間試驗，結(jié)果表明最小推力數(shù)值也達到331.42g.f，所以改善后的焊錫強度完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)。

6.3 在線質(zhì)量檢測

在線質(zhì)量檢測不同于出貨抽檢，在線質(zhì)量檢測一般是模擬客戶端條件，如回流焊，電性條件模擬等。它主要作用是模擬客戶端物理和功能測試環(huán)境，為了盡早把可能發(fā)生在客戶端的問題攔截下來。在線質(zhì)量檢測可以模擬客戶端條件如回流爐來篩選不良。在客訴發(fā)生之后確認(rèn)最終改善效果是通過在線質(zhì)量檢測流程來篩選任何潛在不良；如下表所示通過在線質(zhì)量檢測確認(rèn)影響批次和客退批次以及改善后檢測結(jié)果。（見表1）

在基板和鋼板改善措施實施后，為了更有效地攔截不良在線質(zhì)量檢測加嚴(yán)測試條件增加抽樣數(shù)量-從原來每個批次30顆增加到90顆。從改善措施實施完成后到目前沒有發(fā)現(xiàn)任何焊錫橋接不良。這說明改善措施已經(jīng)完全改善了電容焊錫橋接的問題。

7 結(jié)論

此案例給研究極低不良率的失效帶來明顯的指導(dǎo)方法，通過六西格瑪DMAIC研究法一步步進行：確認(rèn)問題和不良失效分析，著重介紹了通過失效分析手段并加入數(shù)據(jù)分析方法可以發(fā)現(xiàn)難以察覺的異常包括這類因為封裝設(shè)計導(dǎo)致的問題；然后根據(jù)分析結(jié)果確定主因。從而找到改進流程和最佳參數(shù)。通過加入控制手段，可以徹底解決這類極低不良率的失效問題。