LED芯片生產(chǎn)中的“過程能力指數(shù)”分析

在芯片的生產(chǎn)過程中，會經(jīng)歷許多次的摻雜、增層、光刻和熱處理等工藝制程，每一步都必須達(dá)到極其苛刻的物理特性要求。但是，即使是最成熟的工藝制程也存在不同位置之間、不同晶圓之間、不同工藝運(yùn)行之間以及不同時段之間的變異。有時，這種變異會使工藝制程超出它的制程界限，生產(chǎn)出不符合工藝標(biāo)準(zhǔn)的晶圓，從而嚴(yán)重地影響成品率(YiELd)。而任何對半導(dǎo)體工業(yè)有過些許了解的人都知道：整個工業(yè)對其良品率都極其關(guān)注。因此，正確地*估和控制芯片生產(chǎn)過程中的變異顯得尤為重要，而研究過程變異的常用方法之一就是過程能力分析。

　　一般來說，過程能力分析通常是指通過顧客質(zhì)量要求的范圍與實(shí)際產(chǎn)品質(zhì)量變異范圍之間的比較數(shù)值來衡量實(shí)際生產(chǎn)過程滿足規(guī)格要求的能力。具體來說，就是計算出過程能力指數(shù)Cp和Cpk值，確定其過程能力等級，判斷過程能力是不足、尚可還是充分，進(jìn)而采取相應(yīng)的改進(jìn)和維護(hù)措施。這個簡單易行的質(zhì)量管理工具已經(jīng)在各行各業(yè)中都有了廣泛的應(yīng)用，頗受好*。

　　由于半導(dǎo)體制造工藝的復(fù)雜性，生產(chǎn)一個完整器件所需涉及的龐大工藝制程數(shù)量，以及檢測內(nèi)容的多樣化等等原因，必然要求芯片生產(chǎn)中的“過程能力指數(shù)”分析必須在遵循原先質(zhì)量統(tǒng)計理論的基礎(chǔ)上有所發(fā)展，創(chuàng)造出一套適合半導(dǎo)體工業(yè)的“過程能力指數(shù)”分析方法。

　　縱觀國內(nèi)的常規(guī)質(zhì)量管理咨詢和軟件市場，長期以來都無法提出一個理想的解決方案。幸運(yùn)的是，被英特爾Intel、國家半導(dǎo)體NationalSemiconductor，中芯國際等全球芯片巨頭普遍采用的高端六西格瑪質(zhì)量管理統(tǒng)計分析軟件，已經(jīng)在這方面作出了很多卓有成效的工作，業(yè)已成為半導(dǎo)體行業(yè)的一種應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。接下來，本文將結(jié)合一個案例與大家一起在JMP軟件最新的JMP7平臺上分享這個研究成果。

圖1 晶圓工廠測試數(shù)據(jù)

　　如上圖所示，圖1是某晶圓工廠在最終的電子測試階段獲取的數(shù)據(jù)表格，共有1455條記錄(限于篇幅，圖一僅顯示了其中的前30條記錄)，考察的質(zhì)量特性有16個(實(shí)際情況會更多，此處僅取其中的一部分做演示，并且限于篇幅，圖一僅顯示了其中的前7個質(zhì)量特性)。如果按照傳統(tǒng)的分析方法，我們需要按部就班地計算16組過程能力指數(shù)，對各項(xiàng)質(zhì)量特性一一考核，但對它們之間的相互關(guān)聯(lián)以及產(chǎn)品的總體質(zhì)量性能卻缺少一個全面的認(rèn)識總結(jié)。而且單純用數(shù)字說明，也顯得有些枯燥抽象。

圖2 過程能力指數(shù)的目標(biāo)圖GoalPlot

　　JMP軟件巧妙地通過一系列生動形象的統(tǒng)計圖形，使我們得到一個全新的分析展示結(jié)果。先看圖2所示的“過程能力指數(shù)的目標(biāo)圖GoalPlot”。圖中等腰三角形的兩條紅邊表示所有Cpk恰巧等于1的情況，等腰三角形以內(nèi)的部分表示所有Cpk大于1的情況，等腰三角形以外的部分表示所有Cpk小于1的情況，一般越遠(yuǎn)離三角形的點(diǎn)所代表的Cpk值越小。顯然，目標(biāo)圖用一個等腰三角形將過程能力充足和不足的兩部分質(zhì)量特性區(qū)分得一目了然。在此案例中，給我們印象最深的是INM2、IVP2、IVP1等特性的過程能力很差，因?yàn)橄鄬ζ渌c(diǎn)而言，它們離這個等腰三角形最遠(yuǎn)。

圖3 過程能力指數(shù)的箱型圖BoxPlot

　　再看圖3所示的“過程能力指數(shù)的箱型圖BoxPlot”。圖中兩條綠色的虛線分別表示的是將16組規(guī)格限統(tǒng)一規(guī)格化后的規(guī)格上下限，VPM3、INMI1、NPN2等特性的箱型圖比較狹窄，且都落在虛線范圍中，說明它們的過程能力比較充分，INM2、IVP2、IVP1等特性的箱型圖比較寬泛，且都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了虛線范圍，說明它們的過程能力嚴(yán)重不足。

圖4 過程能力指數(shù)的規(guī)格化箱型圖NormalizedBoxPlot　　最后看圖4所示的“過程能力指數(shù)的規(guī)格化箱型圖NormalizedBoxPlot”。此時圖中16個箱型圖是分別通過轉(zhuǎn)化而得，所有箱型圖的波動范圍幾乎都在[-5，5]之間，16組綠色的小短線表示分別經(jīng)過同樣轉(zhuǎn)換后得到的規(guī)格上下限。相對而言，VPM3、INMI1、NPN2等特性的箱型圖都穩(wěn)穩(wěn)地落在規(guī)格范圍中間的位置，再次說明它們的過程能力比較充分，INM2、IVP2、IVP1等特性的箱型圖的波動明顯比規(guī)格限寬泛，再次說明它們的過程能力嚴(yán)重不足。

　　當(dāng)然，傳統(tǒng)的過程能力指數(shù)的具體數(shù)值也很重要，我們可以參考“過程能力指數(shù)列表”對所有16個質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行定量的*價，其內(nèi)容包括常用的Cp、Cpk和PPM值。

　　總之，半導(dǎo)體制造業(yè)面臨著巨大的質(zhì)量和成本的挑戰(zhàn)。想象一下，在極其苛刻的潔凈空間內(nèi)，不到1/2平方英寸芯片范圍里，制作出數(shù)百萬個微米量級的元器件平面構(gòu)造和立體層次……單憑這一點(diǎn)就應(yīng)當(dāng)充分重視芯片制造中的過程能力分析。專業(yè)質(zhì)量管理統(tǒng)計分析軟件JMP有機(jī)地整合了質(zhì)量統(tǒng)計理論、數(shù)據(jù)可視化手段和半導(dǎo)體制造業(yè)的行業(yè)特點(diǎn)，將復(fù)雜的統(tǒng)計分析用各種簡單易懂的方式展現(xiàn)出來，大大提高了我們分析問題、解決問題的能力，希望有更多的工程技術(shù)人員可以從中受益。

　　本文針對65×65mm一面設(shè)有九顆1×1mm、1W的LED芯片，另一面為肋片的鋁制散熱片，利用數(shù)值法求解三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，利用計算機(jī)專用軟件計算得到不同led芯片分布時，散熱片芯片表面的溫度分布，根據(jù)其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響。結(jié)果是：九顆芯片集中在一起散熱效果最差，芯片之間的距離應(yīng)達(dá)到5mm以上，其芯片溫度可降低近5℃以上。

　　LED照明，由于節(jié)能顯著，被認(rèn)為是下一代照明技術(shù)。LED是冷光源，其光譜中不包含紅外部分，而目前LED發(fā)光效率僅達(dá)到20%，也就是說有80%以上的電能轉(zhuǎn)換成熱能。如果熱量不能有效散出，芯片的溫度上升，會導(dǎo)致光效下降，光衰加劇，嚴(yán)重時燒毀芯片，LED芯片散熱是當(dāng)前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問題。

　　LED芯片的散熱過程并不復(fù)雜，只是一系列導(dǎo)熱過程再加對流換熱過程，溫度范圍不高，屬于常溫傳熱，其內(nèi)的導(dǎo)熱過程，完全可以運(yùn)用計算機(jī)專用軟件求解三維導(dǎo)熱微分方程，計算分析出LED芯片中、散熱片內(nèi)的導(dǎo)熱過程，以及散熱片外表的對流換熱，分析出整個傳熱過程中主要的熱阻在何處，什么原因造成的，可以得到一非常清晰的解，使人們有的放矢。

　　但當(dāng)前LED散熱以及同類的半導(dǎo)體芯片散熱，都缺少這一基礎(chǔ)性和指導(dǎo)性的研究，即使有人做了，但不為眾人所知。由此造成當(dāng)今LED散熱技術(shù)就像春秋戰(zhàn)國時代樣，出現(xiàn)采用熱管，甚至提出采用回路熱管。本文僅從LED芯片分布不同，來研究分析其對散熱的影響，將對LED芯片中的設(shè)計和制造起著指導(dǎo)性意義。