航天元器件關鍵工藝的統計過程控制方法

賈 彬，段 超

（中國空間技術研究院 宇航物資保障事業部，北京100094）

0 引言

統計過程控制（statistical process control，SPC），是指用統計技術對生產過程的各個階段進行評價和監控，該方法目前較為成熟地應用于各行業大規模生產過程中，軍標生產線普遍使用SPC作為品質控制工具對關鍵生產工藝進行質量控制。由于航天產業的特殊性，大規模生產線較少，因此SPC在航天產品的研制工作中較難具備應用條件。但作為元器件質量保證單位，一方面面對型號用戶需求，須提供高品質的元器件質量保證服務；另一方面面對的是元器件生產廠，對他們提供的產品需代表用戶方進行二方審查監督，因此有必要了解SPC的原理并用其指導工程實踐。目前元器件質量保證試驗工作中采用SPC數據統計控制進行分析處理的工作還不成熟，僅對生產廠提供的SPC控制結果進行檢查已不能滿足全面質量控制的要求。本文重點站在二方審查角度，通過使用SPC方法對航天元器件生產廠提交產品在元器件質量保證試驗過程中進行統計控制，提出對航天常用元器件的關鍵工藝實施SPC具有現實的實踐意義。

航天用元器件的鍵合絲如果在軌發生斷裂、脫落，將直接影響整個集成電路的功能輸出，進而影響整個單機產品乃至整個衛星的在軌使用。因此，對于集成電路的鍵合工藝將作為關鍵工藝進行工藝水平控制，這就使得采用SPC進行數據監控尤為重要。本文擬通過對宇航用戶委托質量保證單位進行的某集成電路破壞性物理分析（簡稱DPA）試驗項目中的鍵合剪切強度為數據源，以SPC理論中的-R原理為理論基礎，提出對航天常用元器件的關鍵工藝進行 SPC，從而建立科學的預警模型的有效方法。

1 - R 控制圖的基本原理

均值與極差控制圖是計量值控制圖中最為常用的一種質量工具，它是通過聯合使用X控制圖和R控制圖，調查平均值X和極差R是否有異常變化來對工序進行控制的。其中X控制圖用來控制平均值的變化；R控制圖用來控制工序散差的變化[1-2]。

2 -R在關鍵工序數據監控的應用流程

將X-R控制圖作為對航天用高可靠元器件關鍵生產工序進行監控的預警辦法，采用科學的數學方法建立預警線（UCL），經由對試驗數據進行整理，通過 SPC的理論進行數據監控和預警。當判斷出某類元器件在某關鍵工藝上沒有滿足航天標準要求時，對出現波動的數據除按標準要求進行批拒收以外，還應對其潛在的工序能力進行判斷，如出現數據異常應建立有效措施加以改進，其重點在于根據圖 1的流程不斷持續改進該重點工序的工序能力指數。

圖1 使用控制圖監控數據異常工作流程Fig. 1 The flowchart of using control chart to monitor the data anomaly

3 航天型號用集成電路鍵合工藝X- R控制圖的建立

選取為航天型號供貨的 XX廠采用同種工藝生產的同種型號的集成電路產品進行DPA鍵合拉力試驗的試驗數據為數據源。由于該種類器件芯片有4根引線，對同種型號集成電路DPA試驗中鍵合強度的80余個試驗數據進行擬合發現，該數據分布滿足正態分布規律（如圖2所示），因此，可以考慮使用SPC中的-R控制圖對其關鍵工藝進行數據監控。在此前提下，將每個芯片得到的4個數據組成為一個數據單元，并形成22組建立X-R控制圖的數據源，如表1所示。

經數據擬合，該工序滿足的正態分布概率函數表達式為[3]

其中：21.764=u；5.952=σ。

圖2 集成電路鍵合工藝的正態分布擬合Fig. 2 Normal distribution fitting curve of the bond strength of the integrated circuit

表1 XX 廠XX型號集成電路鍵合力數據計算表Table 1 Coefficients of the control chart

根據GB/T 4091—2001規定，在X-R控制圖中必須先作R圖。如果先作圖，則由于此時R圖還未穩定，所以的數據不可用；因此必須先進行R圖判穩，再進行判穩[4]。

通過計算樣本總均值得到=21.7636，R= 11.6，再計算R圖的中心線及控制限為

式中D3、D4為與樣本容量有關的系數，根據表 2得[4]，當子組大小為n=4時，D4=2.282。根據測試數據擬合成的極差控制圖如圖3所示。

圖3 XX廠鍵合工藝極差控制圖Fig. 3 The control chart for the bond strength out of control

在Ri判穩后，再建立控制圖。由于在n=4時，查表 2可得A2=0.729，再將=21.7636，= 11.6帶入下式[5]，得到該廠鍵合工藝的均值控制圖（圖4）。

表2 計量控制圖系數表Table 2 Coefficients table of the measurement control

圖4 XX廠鍵合工藝均值控制圖Fig. 4 Control chart for the bond strength

4 過程能力指數的計算

根據GJB 548B《微電子器件試驗方法和程序》的有關規定：對70 μm鋁絲鍵合的強度要求是8 g[6]，而沒有上限要求，因此計算過程能力指數需采用單側公差情況的過程能力指數。在本例中，標準中只有下限要求而沒有上限要求，則下單側過程能力指數計算為

其中當μ≤TL時，CpL=0。

將μ=21.7636g，TL=8 g，σ=5.952代入式(8)得

上述計算結果表明：XX廠鋁絲鍵合工藝的過程能力指數相對較低，需要立即采取針對性措施加以改善。

綜上所述，該廠鍵合工藝（以70 μm鋁絲為例）符合正態分布規律，說明該廠鍵合工藝的極差控制在數據統計上是受控的，通過采用單邊過程能力指數計算出該關鍵工藝的過程能力指數為0.77，過程能力控制相對薄弱，需要結合其工藝過程查找問題原因。元器件質量保證單位也應結合型號實際需要，監督生產廠做好關鍵工藝的 SPC工作，以提高生產廠的工藝控制水平。

5 結束語

本文基于 SPC控制中的-R控制圖監控方法，對航天元器件生產過程中的關鍵工藝過程進行SPC控制，并按照-R控制圖要求，得到了該關鍵工序的控制限，同時結合標準判據，計算出XX廠對于70 μm鋁絲鍵合的過程能力指數，提出針對控制限以外的合格產品的控制要求。

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[1]周尊英, 劉海峰, 孫建國. 質量管理實用統計技術[M].北京: 中國標準出版社, 2009

[2]張鳳榮. 質量管理與控制[M]. 北京: 機械工業出版社,2006

[3]秦現生. 質量管理學[M]. 2版. 北京: 科學出版社,2008

[4]全國質量專業技術人員職業資格考試辦公室. 質量專業理論與實務[M]. 北京: 中國人事出版社, 2010

[5]陳俊芳. 質量改進與質量管理[M]. 北京師范大學出版社, 2007

[6]GJB 548B微電子器件試驗方法和程序[S]. 2007-07(2005-10-02頒布; 2006-01-01實施)