半導(dǎo)體封裝過程集成質(zhì)量信息系統(tǒng)研究

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1、半導(dǎo)體封裝過程集成質(zhì)量信息系統(tǒng)研究 何曙光*,1，齊二石1，李莉2 (1.天津大學(xué)管理學(xué)院，天津 300072；2. 天津職業(yè)大學(xué)電信工程學(xué)院，天津 300403) 摘要：在對半導(dǎo)體封裝過程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了基于產(chǎn)品，原材料，規(guī)格和設(shè)備的靜態(tài)集成模型、基于工單和工序的數(shù)據(jù)集成模型以及基于中央數(shù)據(jù)庫的質(zhì)量工具集成模型，這些質(zhì)量工具包括統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC, Statistical Quality Control)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE, Design of Experiments)以及測量系統(tǒng)分析(MSA, Measurement System Analysis)等。以上述模型為

2、基礎(chǔ)建立了半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。通過該體系架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)原始質(zhì)量數(shù)據(jù)和質(zhì)量分析、控制及改進(jìn)工具的有效集成。最后基于SQL Server2000和VS.net實(shí)現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體封裝；集成質(zhì)量信息系統(tǒng)；集成模型；原型系統(tǒng) Study on the Integrated Quality Information System of Semiconductor Assembly Processes HE Shuguang*,1 QI Ershi1 LI Li2 (1. School of Management, Tianjin University

3、, Tianjin 300072, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Tianjin Professional College, Tianjin 300402, China ) Abstract: Based on the study of the processes of semiconductor assembly, three integration models were put forward. One is a static integration model based on the pro

4、ducts, materials, specifications and devices. The other is a dynamic model based on the manufacturing orders and the manufacturing processes. The third one is an integration model of all kinds of quality tools based a central database. And these quality tools include SPC (Statistical Process Control

5、), Design of Experiment (DOE), MSA (Measurement System Analysis), etc. Based on these models, a framework of an integrated quality information system for semiconductor assembly was studied. Through this framework, quality raw data, manufacturing processes and the quality tool set can be integrated e

6、ffectively. At last, a prototype was developed based on SQL Server2000 and Microsoft VS.net. Key words: Semiconductor Assembly, Integrated quality information systems, Integration model, prototype 1 引言 作為電子信息產(chǎn)業(yè)的重要支柱之一，半導(dǎo)體及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在我國具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著全球產(chǎn)業(yè)鏈的調(diào)整，歐美、日韓及臺灣地區(qū)的半導(dǎo)體制造、封裝及測試企業(yè)紛紛向中國大陸轉(zhuǎn)移，未來幾年內(nèi)我國的半導(dǎo)體

7、相關(guān)產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展。半導(dǎo)體封裝和測試是連接上游晶片制造商和下游電子產(chǎn)品制造商的中間環(huán)節(jié)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中具有重要的地位。相對于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈上游的晶片制造而言，半導(dǎo)體封裝和測試生產(chǎn)線由于資金需求量相對較少，技術(shù)壁壘相對較低，將成為發(fā)展我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要突破口。 近年來，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2003年半導(dǎo)體封裝測試企業(yè)銷售額超過240億人民幣，占我國整個半導(dǎo)體市場70%的份額。雖然封測業(yè)所貢獻(xiàn)的產(chǎn)值最大，但是我們要看到，我國本土的封測企業(yè)目前的技術(shù)水平還比較低，作為勞動密集型代工產(chǎn)業(yè)的封裝測試業(yè)，在我國仍然處于成長期。同時，質(zhì)量控制水平也是影響半導(dǎo)體封裝企業(yè)成本和效率的重要因素。 與傳

8、統(tǒng)的制造過程相比，半導(dǎo)體封裝制造質(zhì)量分析和控制系統(tǒng)存在一些顯著的特點(diǎn)，從而對集成質(zhì)量系統(tǒng)提出了更高的要求。 1) 對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析手段提出新的要求 傳統(tǒng)的質(zhì)量分析、控制和改進(jìn)方法，以統(tǒng)計(jì)學(xué)作為主要的數(shù)據(jù)分析方法。但對于半導(dǎo)體封裝過程來說，由于生產(chǎn)自動化程度高、生產(chǎn)速度快、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)累計(jì)速度快等特征，僅僅使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法已不能滿足快速診斷、快速決策、快速調(diào)整的要求。 2) 海量數(shù)據(jù)的分析和知識獲取問題 隨著自動數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步和數(shù)據(jù)存儲成本的下降，使得在生產(chǎn)過程中存儲大量數(shù)據(jù)成為了可能。在半導(dǎo)體封裝過程中，會積累大量與質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)，如設(shè)備狀況、操作者、環(huán)境、原材料等信息。如何有效地對

9、這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從中挖掘出與質(zhì)量診斷與質(zhì)量改進(jìn)緊密相關(guān)而又有用的知識和規(guī)則也是半導(dǎo)體封裝過程中存在的一個亟待解決的問題。 3) 在線控制和分析的自動化程度有待進(jìn)一步提高 在半導(dǎo)體封裝過程中，人僅僅在設(shè)備的初始設(shè)置 和制造監(jiān)控過程中起作用，其他的工作均由設(shè)備完成。這就要求對質(zhì)量的分析、控制和改進(jìn)等決策必須在線完成，而傳統(tǒng)的方法在解決這一問題時存在困難。 本文正是基于上述問題，研究半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)，以期解決半導(dǎo)體封裝過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)集成、分析問題，為半導(dǎo)體封裝過程的持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)提供有效支撐。 2 半導(dǎo)體封裝過程簡介 通常所說的半導(dǎo)體封裝是指利用膜技術(shù)及微細(xì)連接技術(shù)將半導(dǎo)體芯

10、片和框架、基板、塑料薄片或印刷線路板中的導(dǎo)體部分連接以便引出接線引腳，并通過可塑性絕緣介質(zhì)灌封固定，構(gòu)成整體立體結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)。它具有電路連接、物理支撐和保護(hù)、外場屏蔽、應(yīng)力緩沖、散熱以及標(biāo)準(zhǔn)化等作用。按照封裝介質(zhì)、封裝芯片等的不同，可以將半導(dǎo)體封裝分為不同的種類，不同種類的封裝過程在制造工藝方面有較大的差異。但總體而言，半導(dǎo)體封裝一般都會包含固晶、焊線、封裝、切割、測試及包裝等幾個工序。以某光電半導(dǎo)體封裝SMD生產(chǎn)線為例，其過程如圖1所示。 半導(dǎo)體封裝的生產(chǎn)組織形式一般為多品種大批量，往往有十幾甚至幾十個品種的產(chǎn)品同時生產(chǎn)，同時，部分自動化設(shè)備如固晶、焊線及測試等系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)采集，

11、這為質(zhì)量信息的集成奠定了物理基礎(chǔ)。 圖1 SMD生產(chǎn)線過程示意圖 3 半導(dǎo)體封裝質(zhì)量信息系統(tǒng)集成模型 依據(jù)半導(dǎo)體封裝過程的特點(diǎn)，從不同的角度建立質(zhì)量信息系統(tǒng)集成模型，為半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)的建立奠定基礎(chǔ)。 3.1半導(dǎo)體封裝過程集成 過程集成主要用于描述不同產(chǎn)品加工過程中的靜態(tài)特性和靜態(tài)數(shù)據(jù)，如所使用的設(shè)備及其參數(shù)要求、所使用的原材料、對操作工的要求、環(huán)境要求等，同時還包括產(chǎn)品規(guī)格、控制圖的類型及參數(shù)等，最后是過程輸出，如關(guān)鍵質(zhì)量特性及其規(guī)格、批檢方案以及缺陷分類等。 根據(jù)半導(dǎo)體封裝過程的特殊性，以加工過程為主線，以產(chǎn)品為對象，實(shí)現(xiàn)過程的靜態(tài)集成。在半導(dǎo)體封裝過程中

12、，每一個工序往往有幾十臺同類設(shè)備，這些設(shè)備有的是通用設(shè)備，有的只能用于特殊的產(chǎn)品系列?；谠O(shè)備在過程中的重要向和特殊性，我們以設(shè)備為對象作重點(diǎn)研究，半導(dǎo)體封裝過程靜態(tài)集成示意圖如圖2所示。 3.2半導(dǎo)體封裝過程數(shù)據(jù)集成 在所建立的半導(dǎo)體封裝過程靜態(tài)集成模型的基礎(chǔ)上，建立半導(dǎo)體封裝過程的動態(tài)集成——數(shù)據(jù)集成，主要包括如下內(nèi)容： 1) 工單，這是數(shù)據(jù)集成的主要研究對象，所有的數(shù)據(jù)集成均圍繞工單進(jìn)行。工單數(shù)據(jù)包括編號、產(chǎn)品、數(shù)量、特殊要求等。 2) 工單輸入，是指工單在每一工序加工時的輸入，包括加工期間的環(huán)境參數(shù)、具體的操作人員、所使用的設(shè)備及其參數(shù)、所使用的原材料批號等； 3) 工單輸出

13、，是指工單在每一工序加工時的輸出，包括加工過程中的抽樣數(shù)據(jù)、批檢數(shù)據(jù)、缺陷及其數(shù)量、在不同工序完成加工后的合格率等。 圖2 半導(dǎo)體封裝過程靜態(tài)集成模型 將與質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)以工單為對象進(jìn)行集成，不但有利于數(shù)據(jù)的分析和匯總，同時也有利于過程診斷和改進(jìn)。 3.3半導(dǎo)體封裝過程質(zhì)量工具集成 在半導(dǎo)體封裝過程中，會用到大量的質(zhì)量工具，如統(tǒng)計(jì)分析工具、過程能力分析、測量系統(tǒng)分析、統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)以及試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)等，如何將這些質(zhì)量工具進(jìn)行有效集成，支持持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)也是集成質(zhì)量信息系統(tǒng)要解決的一個主要問題。根據(jù)半導(dǎo)體封裝過程的特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)如圖3所示的質(zhì)量工具集成框架模型。 質(zhì)量工具

14、集成模型框架最大的特征是將各個孤立的分析工具通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了有效集成，如將工序能力和測量系統(tǒng)分析歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，有助于工程師通過動態(tài)分析了解設(shè)備狀況，將經(jīng)過DOE分析和優(yōu)化的工序最近參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫可直接對生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)，同時其他各類的過程控制、統(tǒng)計(jì)分析以及過程診斷也都為數(shù)據(jù)庫為中心實(shí)現(xiàn)了有效的集成。 圖3 質(zhì)量工具集成模型框架 4 半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在所提出的半導(dǎo)體封裝質(zhì)量信息系統(tǒng)集成模型框架的基礎(chǔ)上，建立半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)體系架構(gòu)，并對各子模塊的進(jìn)行分項(xiàng)設(shè)計(jì)。 4.1 集成質(zhì)量信息系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì) 半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由三個相互

15、銜接的層次構(gòu)成，分別是：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析層和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層，各層的功能詳述如下。 數(shù)據(jù)采集層，主要由操作員使用，主要負(fù)責(zé)日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的操作，包括所有靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)的錄入、刪除、修改等功能。同時，自動化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集接口也在該層實(shí)現(xiàn)。除此之外，該功能層還應(yīng)該包括一些簡單的查詢、統(tǒng)計(jì)以及日常報(bào)表生成等功能。 數(shù)據(jù)分析層，這是質(zhì)量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的核心部分，許多數(shù)據(jù)分析功能都包括在這一功能層中。主要包括：控制限的設(shè)定與控制圖的生成、統(tǒng)計(jì)分析功能（如數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)等）、工序能力分析以及質(zhì)量診斷工具（以流程單為依據(jù)，匯集相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析與判定）。此外，根據(jù)需要，還可以增加向Minitab或者JM

16、P等常用的統(tǒng)計(jì)工具傳輸數(shù)據(jù)的功能。 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層，主要供高層管理人員使用，例如可以實(shí)時了解生產(chǎn)線產(chǎn)品合格率狀況、工序能力狀況、測量系統(tǒng)狀況等，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以圖形和報(bào)表為主，力求簡單、直觀。 圖4 半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)體系架構(gòu) 4.2 數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計(jì) 對于集成質(zhì)量信息系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)無疑是其核心，本研究中嚴(yán)格遵循關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)所需的所有表，在此基礎(chǔ)上，建立質(zhì)量數(shù)據(jù)倉庫，并根據(jù)質(zhì)量分析和診斷的需要，建立產(chǎn)品、時間、設(shè)備、原材料等不同維度的分析框架。 5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Microsoft V，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2000

17、，實(shí)現(xiàn)了基于制造流程的質(zhì)量信息集成，系統(tǒng)界面如圖5所示，以一種樹型結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品、工序、設(shè)備、CTQ、控制圖及其他相關(guān)分析工具的集成。同時在本系統(tǒng)中還實(shí)現(xiàn)了各種質(zhì)量工具的有效集成，包括工序控制、測量系統(tǒng)分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）、過程能力分析、回歸分析、方差分析以及時間序列等。 圖5 半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)主界面 (a)控制圖設(shè)計(jì) (b)數(shù)據(jù)維護(hù)與控制圖生成 (c)遠(yuǎn)程查詢 圖6 半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)工序控制模塊 由于篇幅所限，我們僅就半導(dǎo)體封裝過程控制模塊的集成問題作詳細(xì)介紹。一般應(yīng)用SPC分成三個步驟：1）控制圖類型的選擇和

18、參數(shù)確定；2）采樣數(shù)據(jù)的錄入與維護(hù)；3）控制圖的繪制與查詢。根據(jù)半導(dǎo)體封裝過程的特性，我們設(shè)計(jì)了如圖6所示的工序控制模塊，包括控制圖設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的錄入與維護(hù)以及控制圖繪制及查詢等功能。其中，控制圖數(shù)據(jù)能以XML的形式對外發(fā)布，從而使遠(yuǎn)程用戶可以了解工序的真實(shí)狀況。這樣既可以為決策人員服務(wù)，同時也可以對客戶開放，這一點(diǎn)對于OEM廠商尤為重要。 6 結(jié)論 本文針對半導(dǎo)體封裝過程的特點(diǎn)，提出了基于過程的集成模型、基于工單和過程的數(shù)據(jù)集成模型以及質(zhì)量工具集成模型，并以此為基礎(chǔ)建立了半導(dǎo)體封裝集成質(zhì)量信息系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了基于制造流程的集成質(zhì)量信息系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了與質(zhì)量分析、控制和改進(jìn)工具的

19、集成，最后基于SQL Server2000和VS.net實(shí)現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)。通過本文提出的集成質(zhì)量信息系統(tǒng)架構(gòu)，可以將過程、產(chǎn)品和質(zhì)量工具進(jìn)行有效的集成，對于半導(dǎo)體封裝和類似過程的集成質(zhì)量信息系統(tǒng)開發(fā)與建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。 參考文獻(xiàn) [1] K. K. Chan, T.A. Spedding. An integrated multidimensional process improvement methodology for manufacturing systems[J]. Computer & Industrial Engineering. 2003, 44: 673~693.

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