基于Minitab的宇航集成電路質量控制方法

何 磊，蔡媛媛，魏 然，戴 瑩，呂 棟，虞勇堅

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

集成電路測試環節既是集成電路產業鏈中的一環，也是驗證出廠的關鍵。由于各種因素的影響，如制造工藝發展所帶來的挑戰，新的故障模型、新的測試向量生成方法和新的可靠性保證，集成電路日益復雜和性能的不斷提高，測試速度和引腳數不斷攀升，對測試的要求也向著高速模數混合測試方向發展[1]。

宇航集成電路屬于集成電路中的最高質量保證等級，對測試數據的準確性要求當然更為苛刻，但實際生產過程中測試數據有時會由于偶然缺陷或測試系統的不穩定導致結果差強人意，嚴重影響宇航集成電路篩選檢驗結果的準確性。如何快速判別測試系統測出的數據準確性已經成為集成電路測試行業所面臨的問題。以中國空間技術研究院于2006年建立的“CAST規范”標準體系為例，就對宇航集成電路中關鍵參數進行了4個方面的具體要求：第一，參數在批次內的一致性；第二，參數在批次間的一致性；第三，參數在全壽命周期內的一致性；第四，參數在三溫測試的一致性[2]。該標準體系發展到現今已經要求對篩選測試數據全部參數進行一致性分析。在GJB597B-2012中的質量保證大綱中的自查要求、GJB7400-2011中的QML體系要求等，都明確承制方需要及時發現篩選檢驗過程中測試系統測試數據的異常，從而采取糾正措施。及時發現過程異常是手段，促進不斷改進質量才是目的[3]。已有學者研究認為用熱流罩測試方法可以提高可靠性分析的準確性[4]，而這種方法只適合用在小批量產品高低溫摸底測試范圍之內，對于大批量的產品而言，熱流罩測試所需要花費的時間、成本都是很難達到的。

本文利用Minitab軟件選用實際案例，從宇航集成電路測試數據的角度進行質量控制分析，實現宇航集成電路在線檢驗過程的質量保證，為GJB3014-1997《電子元器件統計過程控制體系》和GB/T4091-2001《常規控制圖》等標準體系在篩選檢驗環節的實際應用提供指導。

2 Minitab軟件介紹

Minitab公司于1972年成立于美國的賓夕法尼亞大學。Minitab軟件是一系列執行統計分析的程序，目前已有一百多個國家、超過4800所高校在使用。它的特點是操作簡便，功能豐富，精度高（雙精度計算），對硬件的要求低，統計圖形豐富美觀，擁有強大的宏，強大的“助手”菜單可方便新手學習等[5-6]。尤其是Minitab16發布之后，每一個從事質量改善的人都可以利用Minitab16對數據進行更便捷有效的分析，從而做出正確的決定，可以說Minitab為更多的人打開了統計分析之門[7]。2016年，Minitab發行了17.3多國語言版本，對已有的功能進行增強，使統計分析工作更容易進行。

3 控制圖

控制圖（Control Chart）又稱質量控制圖，是通過測定和記錄過程質量，來評估和檢查過程是否處于受控狀態的一種統計圖形[6]。它是根據假設檢驗原理構造的一種帶有控制限的圖形，利用控制限來區分質量特性的波動究竟是由于偶發缺陷還是系統原因所引起，從而監測生產過程是否處于受控狀態。常用統計過程控制圖主要分為計量值控制圖和計數值控制圖，且都可以利用Minitab軟件進行繪制。表1是依據國家標準對常規控制圖進行的一個分類匯總。

表1 常規控制圖的分類[8]

4 質量控制實例

4.1 正態分布能力六包裝分析

正態分布能力六包裝、組間/組內六包裝及非正態分布能力六包裝統稱為過程能力六包裝（Capability Sixpack），能夠使控制圖、運行圖（最后25個數據值）、能力直方圖、概率圖、過程能力圖和有關統計量在同一個圖形窗口中完整地顯示出來[6]。

對宇航集成電路的測試數據進行統計過程控制時，用到了正態分布能力六包裝分析，正態分布能力六包裝分析可為服從正態分布的過程數據生成過程能力報告，包括評價過程穩定性的xˉ控制圖或I控制圖，R控制圖、s控制圖或MR控制圖，確定數據正態性的過程能力直方圖和正態概率圖，評價過程能力的過程能力圖及潛在或整體能力統計量。

4.2 測量數據

4.2.1 案例1

某宇航集成電路A電壓參數VFB=7 V為該集成電路的關鍵參數，按照生產過程控制要求需要對該參數進行生產過程能力分析，現將該參數的測量數據值60個作為1組，選取1組數據。由于該數據是連續的，故屬于計量值控制圖范疇，詳見表2。

表2 電壓V FB測量數據

4.2.2 案例2

某宇航集成電路B電流參數IDD為該集成電路的關鍵參數，按照生產過程控制要求需要對該參數進行生產過程能力分析，現將該參數的測量數據值60個作為一組，選取一組數據。由于該數據是連續的，故屬于計量值控制圖范疇，詳見表3。

表3 電流I DD值測量數據

4.3 六包裝分析圖

利用Minitab軟件，將以上2個案例數據生成正態分布能力六包裝分析圖，進行進一步分析。

4.3.1 案例1的六包裝分析結果

基于表2中的數據，在Minitab中生成正態分布能力六包裝分析圖，見圖1。

圖1 某宇航集成電路電壓V FB參數的過程能力六包裝報告圖

該宇航集成電路的電壓參數VFB（7 V）的正態分布能力六包裝分析結果如下。

1）I控制圖中，數據點隨機分布在中心線附近，且在控制限之內，未顯示出任何趨勢或模式，表明該部件的過程水平是穩定的。

2）移動極差控制圖中，中心線MR=0.001268，各數據點移動極差的點隨機分布在中心線附近，且均在下控制限（Lower Control Limit，LCL）和上控制限（Upper Control Limit，UCL）之間，未顯示出任何趨勢或模式，表明過程變異也是穩定的。

3）運行圖：數據點分布在中心線周圍。

4）正態概率圖：數據點近似呈一條直線，并落在95%置信區間內，正態性檢驗，統計量（Anderson Darling，AD）為0.339，概率P=0.491＞0.05，按水準α=0.05，可認為數據服從正態分布。

5）能力直方圖：數據均在LCL和UCL之間，呈正態分布。

6）能力圖：整體過程變異的區間及組間/組內變異的區間均比規格界限的區間窄，表明參數未超出容差限[0.595，0.615]，此外，過程性能指數Pp＞1.33，過程能力指數Cp＞1.33，表明過程能力受控[8]。

4.3.2 案例2的六包裝分析結果

基于表3中的數據，在Minitab中生成正態分布能力六包裝分析圖，見圖2。

圖2 某宇航集成電路電流參數I DD的過程能力六包裝報告圖

該宇航集成電路的電流參數IDD的正態分布能力六包裝分析結果如下。

1）I控制圖中，部分數據點分布在中心線附近，有9個數據點未通過檢驗。

2）移動極差控制圖中，中心線MR=3.98，部分數據點移動極差的點隨機分布在中心線附近，有2個點離中心線較遠，不在LCL和UCL之間，表明過程變異不穩定，即該過程不受控。

3）運行圖：數據點沒有均分布在中心線周圍。

4）正態概率圖：部分數據點未落在95%置信區間內，正態性檢驗，AD=4.036，P＜0.05，按α=0.05水準，可認為數據不服從正態分布。

5）能力直方圖：數據均在LCL和UCL之間，但呈非正態分布。

6）能力圖：整體過程變異的區間及組間/組內變異的區間均比規格界限的區間窄，表明IDD未超出容差限[0，900]，此外，Pp＞1.33，Cp＞1.33，表明過程能力受控。

7）由I控制圖可以看出，較低值的數據大致集中在31～37樣本之間，據此可以查找該批次宇航集成電路的歷史測試數據，找出超標數據具體在哪一批老煉批中，從而實現對試驗、測試過程的追溯和異常分析。

經追溯，本案例中31～37樣本之間的異常情況是由于31～37樣本測試過程中測試系統的不穩定以及測試程序對該參數未進行合理的下限設置，未能及時發現測試數據異常，導致測試數據結果的偏差。該異常的糾正措施為：優化測試程序，將測試程序中的IDD參數值建立合理的上下限，例如設置上限為750μA，下限為710μA。這樣當測試結果連續出現幾只電路FAIL時，可以快速發現異常，及時排查故障發生的原因，解決測試結果不準確的難題。

5 結束語

利用Minitab對宇航集成電路測試數據進行處理，繪制成相對應的控制圖，可以快速發現批次內或批次間電路測試數據的差異性，通過進一步的分析，可以追溯異常發生的環節，剔除異常電路或改進測試程序。近幾年來，在中美科技戰日趨激烈的情況下，集成電路行業被推向了風口浪尖，各單位的科研生產任務激增，為保證軍用集成電路產品質量和一致性水平，工程技術人員不僅可以在電路測試數據中使用Minitab軟件，在電路的生產制造過程以及人、機、料、法、環、測（5M1E）等質量控制過程中同樣可以運用，對產品生產制造過程各類數據進行分析，找出浴盆曲線中的早期失效點并及時做出調整，以提高集成電路的質量可靠性，使產品質量控制處于長期可控狀態。