這里所說的鎮(zhèn)流器項目質(zhì)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30000h內(nèi)，整機可靠度為90%的質(zhì)保目標保持不變。

1.界定

此階段需要找出產(chǎn)品中的關(guān)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(yīng)力試驗技術(shù)，是一種利用多重應(yīng)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(shù)。MEOST典型應(yīng)力水平如圖2所示，本例中MEOST應(yīng)力設(shè)定方案如圖3所示。

實驗結(jié)果：開關(guān)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(yīng)力造成，它們是整個產(chǎn)品的質(zhì)量關(guān)鍵器件。（后面步驟均以MOSFET為例敘述。）

 

 

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(guān)鍵器件進行壽命評估。以國標GB2689為基礎(chǔ)，結(jié)合實際工作條件進行了溫度加速壽命試驗的設(shè)計，此標準適用于電子元器件產(chǎn)品的恒定應(yīng)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。MOSFET開關(guān)晶體管具體測試條件與試驗結(jié)果如表1所示，其中C代表刪失，即試驗時間內(nèi)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(jié)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15353h，而在30000h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。

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(guān)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。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(fēng)暴的方法列出了導(dǎo)致失效所有潛在原因，可能的潛在原因：封裝內(nèi)分層，器件過電應(yīng)力損傷，濕氣沉積。

 

 

 

（2）對#17，#62進行超聲波掃描檢查，檢查結(jié)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(nèi)部濕氣影響芯片表面漏電的可能性。

（3）對#17，#62進行化學(xué)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，3.5h的烘烤，烘烤前后參數(shù)測試結(jié)果見表3所示，可以看到烘烤后失效品參數(shù)已恢復(fù)正常。表3中IDSS是MOSFET漏源極的漏電流，規(guī)格上限為10μA；BVDSS是漏源極的耐壓，規(guī)格下限為600V；VTH是門極閾值電壓，規(guī)格范圍為2V～4V；RDS是漏源極的導(dǎo)通電阻，規(guī)格上限為2.5Q。

（5）為了進一步確認根本原因，對烘烤恢復(fù)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(dǎo)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。

4.改進

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

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(yīng)：根據(jù)第3步分析的結(jié)果，可能導(dǎo)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(yù)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(guān)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(yīng)Y設(shè)定為高溫蒸煮后良率。表4為本研究中試驗設(shè)計輸入輸出的設(shè)定方法，每組試驗的樣品數(shù)量為200。

 

 

 

本研究使用了MINITAB進行試驗設(shè)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(nèi)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(shè)定了每組8個中心點進行重復(fù)試驗，它的好處是為了進行完全相同條件下的重復(fù)，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(guān)鍵因子為A：注模溫度與B：注模壓力。

 

接著進行響應(yīng)曲面實驗，采用的是中心復(fù)合設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)曲面試驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)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(yīng)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7中，Seq SS和AdjSS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(dǎo)致的總變異；AdjMS指調(diào)整方差，它通過調(diào)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(shè)檢驗的判定依據(jù)。由表7可知：（1）對應(yīng)回歸項檢測的是試驗?zāi)Ｐ偷挠行裕膒-value為0.000，表明需要拒絕原假設(shè)，此試驗?zāi)Ｐ褪怯行У?；?）對應(yīng)失擬項的p-value為0.086>0.05，無法拒絕原假設(shè)，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(yīng)變量優(yōu)化器，就可以直接獲得最佳點的設(shè)置（此時輸出響應(yīng)結(jié)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(cè)上下曲線分別代表輸入因子A與復(fù)合合意性、輸出響應(yīng)Y的取值，而右側(cè)上下曲線分別代表了輸入因子B與復(fù)合合意性、輸出響應(yīng)Y的取值，上方的兩個圖代表當因子A、B單獨變化時，復(fù)合合意性的變化曲線，下方的兩個圖代表了輸出響應(yīng)值隨著A、B的變化曲線，復(fù)合合意性指的是多個輸出響應(yīng)結(jié)合后的合意性，它表示了輸入因子影響輸出響應(yīng)的程度；由優(yōu)化器得到的輸出響應(yīng)最優(yōu)值為Y=99.9575%，此時A=173℃，B=54kg，即為最優(yōu)設(shè)置。

為了獲得預(yù)測結(jié)果的相應(yīng)置信區(qū)間，利用MINITAB提供的響應(yīng)變量優(yōu)化器，可以直接獲得最佳點的設(shè)置及最優(yōu)值（此時輸出響應(yīng)結(jié)果最接近期望值）：由圖5可知曲線的最大值Y=99.9575%，此時A=173℃，B=54kg,為最優(yōu)設(shè)置。

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

 

 

 

本次試驗得出的最佳值為99.9575%，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=54kg處進行了驗證試驗（次數(shù)通常要3次以上，見表10），試驗結(jié)果的平均值為Y=99.8333%?？梢钥闯銎骄德淙肓?5%預(yù)測區(qū)間內(nèi)，說明本次試驗設(shè)計的最優(yōu)設(shè)置有效。

 

 

 

對于MOSFET SD4N60的改進結(jié)果，我們?nèi)匀徊捎眉铀賶勖囼灧治龇椒ㄟM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(jié)果見表11所示。

 

 

 

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92219h，而30000h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。

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：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(fēng)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(guān)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(jié)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。

 

 

 

本文通過介紹DMAIC方法在電子元器件質(zhì)量管理中的應(yīng)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(cè)面印證了了DMAIC方法在器件管理中的可行性及優(yōu)勢。

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