SPC在键合工艺中的应用

2013-09-12刘春岩关亚男

微处理机 2013年4期

刘春岩，李敏，关亚男，王伟

(中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 前言

用统计技术进行过程控制，称统计过程控制，简称SPC。1924年美国贝尔电话实验室的W.A.Shewhart首创了SPC后，质量管理从“因袭管理”发展到“过程管理。SPC的重要手段是控制图，控制图的作用是区分生产过程中质量变异的性质，发现异常变异，及时“报警”，以便技术员采取纠正、预防措施，使过程及时回复稳定。

键合工艺在集成电路生产过程中属于关键工艺，每条键合丝的质量直接影响到整个电路的质量，更关系到其应用系统的可靠性。由此可见加强键合工艺的质量控制是提高产品可靠性的先决条件。为了生产出质量好、可靠性高的微电子产品，工艺过程必须处于“统计受控”状态。虽然常规控制图技术在传统微电子封装键合工艺已应用许多年，但由于多种原因，在生产中还存在一些特殊问题，需要采用不同于常规控制图的新技术，来反映键合工艺的质量。近些年来SPC控制广泛应用于微电子器件的生产加工工艺中，其中SPC应用于键合工艺已成为保证产品质量和可靠性的一项有效手段。

2 SPC实施过程

2.1 工序能力指数

工序能力指数CPK直接反映了工艺成批率的高低，因此定量表征了该工序满足工艺规范要求的能力。过程能力是指当过程处于受控状态时过程符合容差范围的输出能力。一般用特性值散布的6倍标准差(6σ)衡量。

在生产中，为了综合表示工艺水平满足工艺参数规范要求的程度，定义出工序能力指数CPK，常规的CPK计算公式:公差上限，TL公差下限，σ标准差)。在键合工艺中一般规范要求键合强度高于一个最低值，就是只有公差下限没有公差上限，则，利用平均值和标准差计算CPK，从CPK值反应出键合的质量。本次SPC实施键合工艺目标值CPK达到1.33以上。

提高工序能力指数CPK值有三条途径，其中前两条的作用是提高潜在的工序能力指数CPK，第三条是在CPK值为一定的情况下进一步提高实际工序能力指数。

(1)通过优化设计，使规范范围TU－TL尽量大，就是使设计容限扩大。

(2)优化工艺条件或更新设备，使工艺参数的分散尽量小，即减少参数分布的标准偏差σ。

(3)调整工艺条件，精细操作，使工艺分布参数中心，即均值μ与参数范围中心T/2之间的偏离尽量小。

为了得到较理想的CPK值，优化了人、机、料、法、测、环影响CPK的六大因素。第一，操作员放置未键合半成品必须做到紧贴水平放置工作台上，夹紧夹具，自动对焦，自动键合，自动键合时半成品不松动，保证键合质量。第二，键合参数是影响键合质量的直接因素。各参数间必须互相匹配、多次调节，不能单一的改变某个值就能达到预想的效果。不同的电路品种在调试好键合机的聚焦、照相位、对位点后改变键合参数，测量强度得到数据结果，选择出强度一致性好、强度大的相互匹配的参数作为键合参考参数，并储存到键合程序中。同时设备要按时保养和维护，使其长期处在正常工作状态。第三，管壳和芯片存放或操作过程中受到不同的污染，影响到键合质量，采用氩气100s－300s等离子清洗的方法，将污物或氧化物去除，完全只有金属间的键合，键合强度大小和一致性都有明显提高。第四，测试键合强度是根据二力合成原理，为了获得准确的强度值，必须选好强度测试位置。根据平行四边形法则，在键合丝中间竖直方向上的合力最大，也就是要测的键合强度。

2.2 判定规则

(1)均值图:至少一半或更多的点落在控制限以内。

(2)极差图:极差图必须受控，否则GRR的实验过程必然发生了特殊原因，后面的结果便不可相信。

异常情况:数据点位于控制限以外;连续7个或多余7个点单调上升，或者单调下降;连续3个点至少有2个点超出或低于中心线2倍标准差之外，即高位链。极差图分层(NDC)必须大于5层，否则系统的分辨率不足，会呈现重复性好的假象。

(3)键合强度测试仪研究概要

如果总百分比变异列的合计量具可重复性与可再现性(R＆R)贡献:小于10%—测量系统可接受;在10%－30%—测量系统是否可接受取决于具体应用、成本、维修成本或其他因素;大于30%—测量系统不可接受，并应予以改进。

如果百分比为贡献率列，则相应的标准为:小于1%—测量系统可接受;在1% －9%—测量系统是否可接受取决于具体应用、成本、维修成本或其他因素;大于9%—测量系统不可接受，并应予以改进。

2.3 操作过程

设备选择ASM公司的AB559A自动键合机，周期240ms/条(2mm)，精度1μm，自动对焦，自校准，自对点系统，可程式控制，键合异常是停止键和并报警，该键合机速度较快，准确度高，键合一致性好。

每天启动键合机后，检查是否正常工作，首件内部目检和测试合格后进行键合操作。上午10点键合SPC样品，内部目检合格后，取不同位置8条键合丝在键合强度测试仪上测量键合强度，并随机记录强度值。将强度值作为一组数据录入SPC软件，生成相关图表。若软件报警或异常，应立即填写表单并且通知工程师进行处理。

2.4 键合强度测试仪评价

键合拉力测试仪属于影响CPK“测”的环节。键合强度的大小直接影响CPK的准确性，所以测试仪的准确度与精度由为重要。本次SPC实施，选用dage4000作为键合强度测试设备，键合强度测试范围100g，测试精度为±0.25%。

图1是不同的操作员键合实验品后录入的数据，软件生成的测试仪评价报告。

该键合强度测试仪的数据均值极差控制图无异常，极差图分层(NDC)大于5层，合计量具可重复性与可再现性(R＆R)百分比变异为9.6%，小于10%，量具可重复性与可再现性(R＆R)百分比贡献为0.9%，小于1%，满足SPC数据采集的要求。

3 实施结果

采用ASM公司AB559A全自动键合机键合操作。每天启动键合机后，检查是否正常工作，首件检验合格后进行键合操作。定时键合SPC样品，内部目检合格后，取不同位置8条键合丝在剪切强度键合强度测试仪上测量键合强度，并随机记录强度值;将强度值作为一组数据录入SPC软件，生成相关图表。录入数据时，如果测定的数值超出键合强度控制限;或者连续7点呈上升或者下降趋势等异常情况时，应立即填写表单并且通知工程师进行处理。

图1 键合测试仪评价图

连续取40组，共320个数据。软件生成数据平均值为 10.7331，平均偏差 0.862，满足正态分布，得到实际工序能力指数CPK是1.55。图2和图3是均值控制图和标准差控制图。

键合工序SPC实施结果:参数分布属于正态分布(图4)，键合工序SPC控制图受控。

实际工序能力CPK评价结果:CPK=1.55，大于目标值1.33，达到SPC实施目标要求。

图2 均值控制图

控制上线:11.88，平均值:10.733，控制下线:9.586

图3 标准差控制图

控制上线:1.894，平均值:1.043，控制下线:0.193

4 结束语

在做SPC之前，键合质量问题往往是在测试或筛选中发现，需要向前追溯问题所在，时间上滞后，现场复原难度大。SPC在键合工艺上的实施，不仅提高了键合质量，还实现了键合工艺的时可控性。软件录入数据，生成CPK值，用数据直接反应键合工艺能力，在控制图上生成的点，又直接反应出键合状态，根据判定规则又预见出键合工艺是否存在隐患，做到先发现早解决，避免了从后向前反向追查的弊端。