在電子器件質量管理中引入DMAIC 模型的實例研究

曾佳俊，龍滬強

(上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240)

電子元器件是構成電子系統(tǒng)或電子設備的最小單元，它直接影響電子系統(tǒng)的技術性和可靠性［1］。電子系統(tǒng)與整機的質量需求促進了電子元器件的質量管理發(fā)展。當前，國內外企業(yè)的電子器件質量管理方法存在著許多不足，部分企業(yè)將電子元器件質量把關的重點放在IQC 進料檢驗;而部分企業(yè)則執(zhí)行統(tǒng)一的可靠性試驗標準，毫無變通;另一些則干脆沒有單獨的電子元器件可靠性分析，只是在項目初期對產(chǎn)品進行應用性的測試，一旦器件發(fā)生失效時，要么更換器件，要么干脆更換新供應商。這些方法不僅準確性差，耗費的時間長，而且過于片面，缺乏理論依據(jù)，工程師往往只知道需要這么做驗證，但卻不知道為什么要這么做，那么即使是做錯了也沒法及時糾正。

1 六西格瑪簡介

六西格瑪通過系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務改進流程，實現(xiàn)無缺陷的過程設計，并對現(xiàn)有過程實施DMAIC 方法，用來消除過程缺陷和無價值作業(yè)，從而提高質量、降低成本、縮短運轉周期，達到客戶完全滿意，增強企業(yè)競爭力［2］。

DMAIC 是指界定(DEFINE)、測量(MEASURE)、分析(ANALYZE)、改進(IMPROVE)、控制(CONTROL)5 個階段構成的過程改進方法，一般用于對制造過程、服務過程以及工作過程等進行改進。在器件質量管理中也可以引入DMAIC 方法，對產(chǎn)品中的關鍵器件可靠性依次進行鑒別、測試、分析、改進及長效控制，從而盡可能地消除缺陷、節(jié)省成本，DMAIC 流程如圖1 所示。

圖1 DMAIC 流程圖

2 DMAIC 模型在熒光燈電子鎮(zhèn)流器項目中的應用

這里所說的鎮(zhèn)流器項目質量目標是:在電子器件成本降低10%的同時，產(chǎn)品在保修期5 年30 000 h 內，整機可靠度為90%的質保目標保持不變。

2.1 界定

此階段需要找出產(chǎn)品中的關鍵器件，這樣即縮小了范圍提高了經(jīng)濟性，又能覆蓋產(chǎn)品的可靠性要求。這里采用MEOST 方法，即多環(huán)境強化應力試驗技術，是一種利用多重應力組合加速激發(fā)產(chǎn)品損耗，以實現(xiàn)快速檢測出產(chǎn)品潛在缺陷的可靠性測試技術［3］。MEOST 典型應力水平如圖2 所示，本例中MEOST 應力設定方案如圖3 所示。

實驗結果:開關MOSFET、電解電容在兩個樣品中均有失效。分析其失效模式是由溫度應力造成，它們是整個產(chǎn)品的質量關鍵器件。(后面步驟均以MOSFET 為例敘述。)

圖2 MEOST 典型應力水平

圖3 MEOST 應力設定方案

2.2 測量

本階段需要依據(jù)工作條件制定有效的可靠性測試計劃對關鍵器件進行壽命評估。以國標GB2689為基礎，結合實際工作條件進行了溫度加速壽命試驗的設計，此標準適用于電子元器件產(chǎn)品的恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗，用來定量地分析產(chǎn)品的可靠性［4］。MOSFET 開關晶體管具體測試條件與試驗結果如表1 所示，其中C 代表刪失，即試驗時間內沒有失效發(fā)生;F 代表失效。

使用MINITAB 中的加速壽命試驗工具(極大似然估計方法)對MOSFET 的加速壽命試驗數(shù)據(jù)進行分析，結果如表2 所示。

從表2 可知，在60 ℃下，有3.7%MOSFET 失效的時間估計值是15 353 h，而在30 000 h 以后仍然可以使用的MOSFET 的比例是81.34%，小于所要求的96.3%可靠度。所以此MOSFET 不能符合公司的可靠性要求，需要進行分析和改進。

2.3 分析

分析階段需要對器件失效原因進行判斷，以確定需要改進的方向。分析失效機理使用的工具主要包括X 光、超聲波、掃描電鏡、熱點掃描等，同時，針對不同關鍵元器件的失效現(xiàn)象，需要研究其失效機理，從而可以找出需要進行改進的工藝流程、測試方法或者注意事項［5］。本例對失效品#17，#18，#62 進行了如下分析:

(1)組成團隊并采用頭腦風暴的方法列出了導致失效所有潛在原因，可能的潛在原因:封裝內分層，器件過電應力損傷，濕氣沉積。

(2)對#17，#62 進行超聲波掃描檢查，檢查結果如圖4 所示，這里沒有發(fā)現(xiàn)分層或空洞存在于封裝之中，排除了由于分層現(xiàn)象而產(chǎn)生的內部濕氣影響芯片表面漏電的可能性。

表1 MOSFET 的加速壽命試驗條件與結果

表2 MOSFET 的加速壽命試驗結果輸出表

表3 烘烤前后參數(shù)對比

圖4 超聲波掃描檢查結果

(3)對#17，#62 進行化學腐蝕法剝離環(huán)氧樹脂封裝，檢查了芯片表面，并無明顯損傷;隨后將裸片進行了參數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)其參數(shù)依然失效。

(4)由于漏電流的增大也有可能是因為濕氣的影響，因此，我們對#18 號失效品進行了150C，3.5 h的烘烤，烘烤前后參數(shù)測試結果見表3 所示，可以看到烘烤后失效品參數(shù)已恢復正常。表3 中IDSS 是MOSFET 漏源極的漏電流，規(guī)格上限為10 μA;BVDSS 是漏源極的耐壓，規(guī)格下限為600 V;VTH 是門極閾值電壓，規(guī)格范圍為2 V ～4 V;RDS 是漏源極的導通電阻，規(guī)格上限為2.5 Ω。

(5)為了進一步確認根本原因，對烘烤恢復正常后的#18 失效品進行了高壓蒸煮試驗，試驗條件依據(jù)JEDEC 標準101-A。發(fā)現(xiàn)高壓蒸煮后樣品漏電流再次增大。因此可以大致確定外部濕氣侵入是導致樣品漏電流惡化的根本原因，也可以說是由于封裝材料(這里為環(huán)氧樹脂)氣密性差所致。

2.4 改進

在改進階段需要找出影響過程輸出(器件質量)的關鍵因子，六西格瑪中推薦使用試驗設計方法(DOE):設計實驗是指根據(jù)預先確定的計劃，對認為會影響實驗結果的一個或者多個變量進行確認和控制的實驗［6］。用部分析因試驗尋找有利于輸出的因素水平，用響應曲面方法建立非線性影響存在時的數(shù)學模型并找出最優(yōu)化設置［7］。

在進行試驗之前，首先需要確定本次試驗的因子與輸出響應:根據(jù)第3 步分析的結果，可能導致環(huán)氧樹脂的氣密性差的原因只可能存在于器件的塑封過程中，而影響塑封效果的因子有:A 注塑溫度、B 注塑壓力、C 注塑時間、D 注塑材料、E 注塑材料預熱時間，只要使它們在(-1，0，1)3 個極限狀態(tài)中變化，觀察輸出就可以找到關鍵因子了。在分析階段可以看到，高溫蒸煮試驗可以有效地篩選出封裝氣密性較差的器件，因此可以將DOE的輸出響應Y 設定為高溫蒸煮后良率。表4 為本研究中試驗設計輸入輸出的設定方法，每組試驗的樣品數(shù)量為200。

表4 試驗設計參數(shù)與狀態(tài)表

本研究使用了MINITAB 進行試驗設計工作，選擇了2 個區(qū)組，即在兩天進行試驗，其目的在于同一區(qū)組內的各試驗單元差異是比較小的，如此可以將可能存在的區(qū)組間的差異分隔出來，從而大大減少有可能存在的未知變量對系統(tǒng)的影響。兩個區(qū)域是指兩天，一天視為一個區(qū)域;此外還設定了每組8 個中心點進行重復試驗，它的好處是為了進行完全相同條件下的重復，從而能夠估計出試驗隨機誤差。部分析因試驗最終篩選出關鍵因子為A:注模溫度與B:注模壓力。

接著進行響應曲面實驗，采用的是中心復合設計，這里的輸入因子只剩下前面篩選出來的A:注模溫度和B:注模壓力，但其輸出響應Y、試驗條件和方法與之前部分析因試驗一致，試驗數(shù)據(jù)見表5，這里標準序是依據(jù)輸入因子組合由小到大的排列順序，而運行序則是實際進行試驗的順序，它們是由MINITAB 分配的，這樣做是為了確保試驗的隨機性，防止那些對于操作者未知的、但也許會影響響應變量的某種系統(tǒng)的干擾;點類型是指各試驗組合所代表的狀態(tài)點。

表6 ～表8 為響應曲面試驗數(shù)據(jù)的分析結果，表中常量代表的是回歸方程的常數(shù)項，從表6 可知:由于對應輸入因子A 和B 及其乘積的p-value 都＜0.05，可以判斷他們都是對輸出有顯著影響的參數(shù)。

表5 響應曲面試驗結果數(shù)據(jù)表

表6 模型計算結果

S=0.480 141 PRESS=9.767 61

R-Sq=93.69% R-Sq(預測)=66.59% R-Sq(調整)=89.75%

對于Response-Y 的方差分析

表7 輸出響應的方差分析

表8 輸出響應的回歸系數(shù)(未編碼單位)

Response-Y 的異常觀測值

擬合值 標準化

觀測值 標準序Response-Y 擬合值 標準誤 殘差 殘差

9 9 97.000 97.618 0.401 -0.618 -2.34R

R 表示此觀測值含有大的標準化殘差

Response-Y 的估計回歸系數(shù)，使用未編碼單位的數(shù)據(jù)

表7 中，Seq SS 和Adj SS 在方差分析中指的是連續(xù)殘差平方和與校正后殘差平方和，代表各因子所能導致的總變異;Adj MS 指調整方差，它通過調整平方和除以自由度計算得出，F(xiàn) 值是回歸方程的方差齊性檢驗值，用來判斷兩總體檢驗有差異，這里p-value同樣是用作假設檢驗的判定依據(jù)。由表7 可知:(1)對應回歸項檢測的是試驗模型的有效性，他的p-value 為0.000，表明需要拒絕原假設，此試驗模型是有效的;(2)對應失擬項的p-value 為0. 086 ＞0.05，無法拒絕原假設，判斷此模型沒有發(fā)生失擬。

由表8 可以得到:這些是由MINITAB 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)估計出的回歸方程系數(shù)，可以確定回歸方程為，Y=-607.73+4.25×A+12.61×B-0.012×A×A-0.12×B×B。

有了回歸方程，再利用MINITAB 提供的響應變量優(yōu)化器，就可以直接獲得最佳點的設置(此時輸出響應結果最接近期望值，這里期望值為100%，代表高溫蒸煮后無失效):由圖5 可以看到，左側上下曲線分別代表輸入因子A 與復合合意性、輸出響應Y 的取值，而右側上下曲線分別代表了輸入因子B與復合合意性、輸出響應Y 的取值，上方的兩個圖代表當因子A、B 單獨變化時，復合合意性的變化曲線，下方的兩個圖代表了輸出響應值隨著A、B 的變化曲線，復合合意性指的是多個輸出響應結合后的合意性，它表示了輸入因子影響輸出響應的程度;由優(yōu)化器得到的輸出響應最優(yōu)值為Y=99.9575%，此時A=173 ℃，B=54 kg，即為最優(yōu)設置。

為了獲得預測結果的相應置信區(qū)間，利用MINITAB 提供的響應變量優(yōu)化器，可以直接獲得最佳點的設置及最優(yōu)值(此時輸出響應結果最接近期望值):由圖5 可知曲線的最大值Y=99.957 5%，此時A=173 ℃，B=54 kg，為最優(yōu)設置。

圖5 響應變量優(yōu)化器輸出結果圖

為了獲得預測結果的相應置信區(qū)間，利用MINITAB 中響應曲面分析工具對最優(yōu)點進行預測計算，即可得到預測值、預測值的標準誤差、預測值的置信區(qū)間和單個觀測值的置信區(qū)間(見表9)。

表9 最優(yōu)點置信區(qū)間預測計算

本次試驗得出的最佳值為99.957 5%，離目標值100%已經(jīng)非常接近了。為了保證改進的有效性，需在最佳點A=173 ℃，B=54 kg 處進行了驗證試驗(次數(shù)通常要3 次以上，見表10)，試驗結果的平均值為Ym=99.833 3%。可以看出平均值落入了95%預測區(qū)間內，說明本次試驗設計的最優(yōu)設置有效。

表10 最佳設置點的試驗驗證結果

對于MOSFET SD4N60 的改進結果，我們仍然采用加速壽命試驗分析方法進行其可靠性的估計與驗證，測試方案與數(shù)據(jù)分析與之前相同，分析結果見表11 所示。

表11 改進后MOSFET 加速壽命試驗結果輸出表

從表中可以看到改進后的MOSFET 在60 ℃下，有3.7%失效發(fā)生的時間估計值是92 219 h，而30 000 h以后存活率為99.98%，大于所要求的96.3%。因此改進后的MOSFET 產(chǎn)品可以被引入。

2.5 控制

對于改進階段找出的改進方法，需要進行有效控制，常用的六西格瑪工具有控制計劃、FMEA 與控制圖。在控制階段有三個要素［8］:過程改進成果的文件化;建立過程控制計劃;持續(xù)的過程測量。

這里根據(jù)改進成果對FMEA(故障模式影響分析)表進行了更新，對塑封的失效模式風險進行了再評分，記錄了有效的措施，從而給以后的故障分析留下了依據(jù)，見表12。

此外，持續(xù)的過程測量是保證過程穩(wěn)定的關鍵。六西格瑪中推薦單值控制圖工具進行異常波動的觀察與判別(見圖6)，根據(jù)MINITAB 分析結果，本例中沒有發(fā)現(xiàn)有異常波動，生產(chǎn)工藝正常穩(wěn)定。

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圖6 單值控制圖

3 小結

本文通過介紹DMAIC 方法在電子元器件質量管理中的應用實例，分析了各個過程中六西格瑪工具的使用方法及其意義，從側面印證了了DMAIC 方法在器件管理中的可行性及優(yōu)勢。

［1］ 孫青，莊弈琪，王錫吉，等. 電子元器件可靠性工程［M］. 電子工業(yè)出版社，2002:17-18

［2］ 馬林，何禎.六西格瑪管理［M］.2 版. 中國人民大學出版社，2007:13-14

［3］ 崔玉蓮. 可靠性測試新技術——MEOST［J］. 電子質量，2011(11):25-28

［4］ 四機部標準化研究所.GB 2689.1—1981 恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則［S］.中國標準出版社，1981.10

［5］ 恩云飛，羅宏偉，來萍.電子元器件失效分析及技術發(fā)展［J］.國外金屬加工，2006(1):40-47

［6］ Thomas Pyzdek.六西格瑪手冊［M］. 孫靜，譯. 北京:清華大學出版社，2003:322-330

［7］ 張弛.六西格瑪試驗設計［M］.廣東經(jīng)濟出版社，2003:4

［8］ Thomas Pyzdek.6 Sigma Poject Planner:A Step-by-Step Guide to Leading a Six Sigma Project Through DMAIC［M］. McGraw-Hill Companies，Inc，2004:133-139