电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价Cpk、SPC和PPM技术电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价保证和评价元器件内在质量的核心技术工序能力指数Cpk与6 设计统计过程控制SPC 电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价保证和评价元器件内在质量的核心技术1. 元器件质量常规评价方法存在的问题2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点3. 保证和评价元器件内在质量的核心技术4. 技术流程和保证工作1. 元器件质量常规评价方法存在的问题保证和评价元器件质量和可靠性的传统方法是:(1) 常规测试、检验。包括：生产过程中的工艺监测、产品出厂前的筛选测试、产品交付时的批接收抽样检验(2) 可靠性寿命试验(3) 现场使用数据积累(4) 整机厂对采购元器件的再筛选。“传统方法”的实质是以“合格”为中心“的“事后检验”。随着元器件水平的提高，当可靠性等级优于六级以后，可靠性寿命试验这条路已开始走入“死胡同”。其他几种以“合格”为中心的方法已不能反映元器件实际质量可靠性水平。1. 元器件质量常规评价方法存在的问题(1) 随着工艺技术的发展，许多工序的常规工艺监测结果几乎不会出现不满足加工工艺规范要求的情况。(如：插针加工、电阻激光修正、键合等等）管理和操作人员均认为生产状态很好，不存在问题；批抽样接收检验也都能满足要求。生产厂家满足于出厂产品都是合格产品。用户满足于每一批产品都能通过批抽样检验。这些以“合格”为目标的传统方法已无法区分实际工艺水平的高低、也不能区分不同厂家和不同批次产品之间必然存在的质量区别。其结果是：尽管用户采购的确实都是“合格”的产品，但是这些“合格”产品的质量和可靠性确不一定高。1. 元器件质量常规评价方法存在的问题实际情况表明，合格产品并不代表产品的质量和可靠性高。尽管用户采用的确实都是“合格”产品，但是仍然反映目前国内元器件存在的一个主要质量可靠性问题是器件的“一致性差、稳定性不好”。“一致性差”表现在同一批产品内部的不同器件之间，特性的分散性很大。用户使用时不得不采取“再筛选”等措施对器件进行“挑选”。“稳定性不好”表现在不同批次器件之间特性的起伏很大,不稳定。用户在武器装备的研制生产中不敢大胆放心使用国产器件。实际案例：70年代末80年代初，美国家电产品几乎被日本产品排挤出国际市场的原因就是由于美国产品只考虑“合格”的要求。1. 元器件质量常规评价方法存在的问题(2) 随着产品质量和可靠性水平的提高,“可靠性寿命试验”这条路正逐步进入“死胡同”。失效率与可靠性寿命试验样品数的关系（例）(1000小时加速寿命试验)失效率水平允许0个失效允许2个失效1000FIT 355 835100FIT 3550835010FIT 3550083500结论进入新世纪，Intel公司单片微机芯片上器件数已超过1亿个，而失效率则降至10FIT。但是，评价10FIT的失效率，需要几万个样品进行1000小时寿命试验，显然这是不现实的。因此，随着产品质量和可靠性水平的不断提高，在国际上“可靠性寿命试验”这条路已进入“死胡同”。在国内，可靠性水平为6级（失效率为1000FIT），可靠性寿命试验需要几百个元器件，在实践中还可以承受。随着可靠性水平的进一步提高，可靠性寿命试验需要几千甚至几万个元器件，代价之高将使可靠性寿命试验难以继续进行。1. 元器件质量常规评价方法存在的问题(3) 现场数据采集与积累方法不但存在“滞后性”问题，而且受到“保密”等因素的制约。(4) 元器件再筛选只能作为一种辅助手段。应力水平把握不当反而会给器件造成损伤电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价保证和评价MCM器件内在质量的核心技术1. 元器件质量常规评价方法存在的问题2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点3. 保证和评价元器件内在质量的核心技术4. 技术流程和保证工作2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点(1) 可靠性是靠设计、制造出来的，不能靠筛选和试验来保证。通过筛选和试验只能剔除早期失效的器件，并不能提高器件固有可靠性。只有通过设计和制造才能减小偶然失效期间的失效率，并推迟耗损失效出现的时间，起到提高产品可靠性和使用寿命的作用。因此可以通过对设计和工艺的评价来评价可靠性。2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点(2)元器件的“内在质量和可靠性”与“产品成品率”有很强的相关关系。质量和可靠性有很强的相关关系试验结果：Intel公司针对0.25um，5层金属化层的CMOS数字电路工艺，采用约100万个芯片样本，进行芯片中测成品率(反映工艺质量)与封装后老化成品率(反映可靠性)之间相互关系的对比试验。结果表明，成品率数据范围从小于5到接近100之间，封装后老化成品率与芯片中测成品率之间有很强的线性相关关系，相关系数大于0.8。Wafer Level Yield VS. Burn InLot Level Yield VS. Burn In2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点(2) 元器件的内在质量和可靠性与成品率有很强的相关关系。结论：“合格”是针对功能和特性参数而言，是对元器件的基本要求。合格元器件的内在质量和可靠性不一定高。只有成品率很高的产品，可靠性才会高。2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点(2) 元器件的“内在质量和可靠性”与“成品率”有很强的相关关系。原因分析和对这一重要结论的理解：影响“成品率”的因素包括“功能成品率”和“参数成品率”下面从影响功能成品率的工艺缺陷和影响参数成品率的工艺参数集中程度两方面进一步理解成品率和可靠性之间的关系。从不同“洁净度”环境导致的“缺陷”差别理解可靠性与成品率之间的相关关系参数成品率与可靠性的关系80年代，Motorola通过产品对比分析，发现日本产品价格低而质量高于美国同种产品质量的原因只在于产品特性参数的集中程度不同。对一定的工艺规范要求，超出规范范围的是不合格品。工艺参数越集中，即标准偏差越小，工艺成品率就越高。产品在使用过程中，由于热、电等各种应力的作用，特性参数不可避免地会发生“漂移”。如果原来参数比较集中，则“容许”参数漂移的范围就比较大，表现为使用可靠性高。因此可靠性与参数成品率有相关关系，不能只满足于产品合格，而应该要求参数越集中越好。目前国内元器件的一个问题是参数均匀性差，即参数不集中。2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点理论分析也得到同样的结论。2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点(3) 从工艺角度考虑，产品成品率是各道工序的工艺成品率的综合效果。工艺成品率低必然导致产品成品率低。工艺成品率的评价能反映出产品的质量和可靠性水平。结论：只有在工艺水平高，即工艺成品率很高的条件下生产的元器件才会具有较高的质量和可靠性。(4) 参数稳定性差是影响成品率的又一个原因。只有工艺过程稳定受控，即参数的起伏变化不出现异常，才能持续地生产出质量好可靠性高的元器件。(5) 产品参数数据分布的“正态性”能反映产品成品率的高低。(6) 出厂产品平均质量水平（PPM）能反映产品质量可靠性水平的高低。电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价1. 可靠性常规评价方法存在的问题2. 关于元器件内在质量和可靠性问题的基本观点3. 保证和评价元器件内在质量的核心技术4. 技术流程和保证工作3.保证和评价元器件内在质量的核心技术基于上述观点，从80年代后期开始，国际上广泛采用下述几项技术，重点从设计、制造、产品三方面保证和评价元器件产品的质量和可靠性。(1) 可靠性设计(DFR: Design For Reliability)(2) 工艺可靠性保证：包括下述两种技术。工艺能力评价(Cpk)要求生产工艺水平足够高，保证产品特性的一致性。国际要求：关键工序Cpk不小于1.5。统计过程控制技术(SPC: Statistical Process Control)：要求生产过程处于统计受控状态，保证产品的稳定性。(3) 产品评价：包括下述两种技术。元器件特性参数分布正态性的评价：元器件特性参数分布状态反映出生产成品率的高低。元器件出厂平均质量水平PPM考核：PPM值的大小对于产品可靠性的高低给出一个直观的表征。3.保证和评价元器件内在质量的核心技术保证和评价元器件内在质量核心技术的应用情况(1) 从八十年代后期开始，国际上元器件生产厂广泛采用Cpk、SPC、PPM三项技术监控生产线的运行状态。(2) 1988年美国颁布了第一个适用于元器件生产的SPC标准“EIA-557 统计过程控制体系”。(3) 同年还制订了“EIA-554 用PPM评定出厂不合格水平”的标准。(4) 美国军标MIL-STD-883中规定了对微电路产品特性分布的评价。(5) 美国军方要求生产军用元器件生产线从1991年开始必须实施SPC。(6) 国外大型的整机厂(例如，Motorola公司)在大批量采购元器件时，也采用上述三项技术评价元器件的内在质量。总之，国外元器件生产厂广泛采用Cpk、SPC、PPM这三项技术保证生产的元器件具有较高的内在质量。整机厂也采用这三项技术评价元器件的内在质量。3.保证和评价元器件内在质量的核心技术(7) 1998年我国也颁布了下述两项军用标准：“GJB301497 电子元器件统计过程控制体系”军用标准。“GJB 282397 电子元器件产品出厂平均质量水平评定方法”(8) 有关军用标准（例如GJB59796 微电路总规范、GJB54896 微电路试验方法和程序）均包括有关于实施Cpk和SPC的条款。(9) 国内部分大公司和军方也开始要求元器件供货方在生产过程中采用这几项技术。2004年确定8条军标线作为第一批实施SPC的试点。2005年启动了第二批7条试点军标线实施SPC 。2006年、2007年、2008年又结合批生产技术攻关每年分别启动了约20条军标线实施SPC。从国内外发展情况看，元器件生产厂必然要普遍实施Cpk、SPC、PPM这几项技术，保证产品内在质量，开拓市场，与国际市场接轨。统计过程控制与评价的保证工作1. 领导者的责任：有主动实施SPC的愿望；确定SPC方针和目标；安排实施SPC的专职人员；对实施SPC人员授予责职、责权，提供足够的资源。2. 全员培训针对不同层次的培训内容：领导层、管理层、第一线质量管理员、操作人员。3. 管理方法的改进4. 外购原材料质量的控制供货方应实施SPC；批抽样检验不能满足要求。5. 测试仪器满足数据采集要求量程、分辨率、正确度、精密度的评价和保证。6. 技术工作技术流程元器件统计过程控制和评价技术1. 确定关键工序2. 确定关键工艺参数3. “实验设计”和工艺条件的优化确定“World Class Quality:Using Design Of Experiments to Make it Happen，2000”(世界级质量管理工具，2004年9月，中国人民大学出版社)4. 工艺参数数据的采集5. 工序能力评价6. 统计过程控制状态评价SPC技术7. 出厂产品PPM评价以及特性参数分布正态性的评价。8. 统计分析工具的应用电子元器件内在质量和可靠性的控制与评价保证和评价元器件内在质量的核心技术工序能力指数Cpk与6 设计统计过程控制SPC 二. 工序能力指数基本观点：工艺线具备生产高可靠元器件要求的工艺水平的标志是要求总体的工艺不合格品率很低，小于32PPM（国际水平是小于3.4PPM）。常规工艺抽样检验都能满足要求并不能表明工艺不合格品率是否已足够