半导体封装过程集成质量信息系统研究

*Email:[e-mail]国家自然科学基金（No.70372062）和天津市科技攻关计划（No.03410881R）资助.半导体封装过程集成质量信息系统研究何曙光*,1，齐二石1，李莉2(1.天津大学管理学院，天津300072；2.天津职业大学电信工程学院，天津300403)摘要：在对半导体封装过程进行深入分析的基础上，提出了基于产品，原材料，规格和设备的静态集成模型、基于工单和工序的数据集成模型以及基于中央数据库的质量工具集成模型，这些质量工具包括统计过程控制(SPC,StatisticalQualityControl)、试验设计(DOE,DesignofExperiments)以及测量系统分析(MSA,MeasurementSystemAnalysis)等。以上述模型为基础建立了半导体封装集成质量信息系统的体系结构。通过该体系架构，可以实现原始质量数据和质量分析、控制及改进工具的有效集成。最后基于SQLServer2000和VS.net实现了一个原型系统。关键词：半导体封装；集成质量信息系统；集成模型；原型系统StudyontheIntegratedQualityInformationSystemofSemiconductorAssemblyProcessesHEShuguang*,1QIErshi1LILi2(1.SchoolofManagement,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,TianjinProfessionalCollege,Tianjin300402,China)Abstract:Basedonthestudyoftheprocessesofsemiconductorassembly,threeintegrationmodelswereputforward.Oneisastaticintegrationmodelbasedontheproducts,materials,specificationsanddevices.Theotherisadynamicmodelbasedonthemanufacturingordersandthemanufacturingprocesses.Thethirdoneisanintegrationmodelofallkindsofqualitytoolsbasedacentraldatabase.AndthesequalitytoolsincludeSPC(StatisticalProcessControl),DesignofExperiment(DOE),MSA(MeasurementSystemAnalysis),etc.Basedonthesemodels,aframeworkofanintegratedqualityinformationsystemforsemiconductorassemblywasstudied.Throughthisframework,qualityrawdata,manufacturingprocessesandthequalitytoolsetcanbeintegratedeffectively.Atlast,aprototypewasdevelopedbasedonSQLServer2000andMicrosoftVS.net.Keywords:SemiconductorAssembly,Integratedqualityinformationsystems,Integrationmodel,prototype1引言作为电子信息产业的重要支柱之一，半导体及相关产业在我国具有巨大的发展潜力。随着全球产业链的调整，欧美、日韩及台湾地区的半导体制造、封装及测试企业纷纷向中国大陆转移，未来几年内我国的半导体相关产业必将蓬勃发展。半导体封装和测试是连接上游晶片制造2商和下游电子产品制造商的中间环节，在半导体产业链中具有重要的地位。相对于半导体产业链上游的晶片制造而言，半导体封装和测试生产线由于资金需求量相对较少，技术壁垒相对较低，将成为发展我国半导体产业的重要突破口。近年来，我国半导体产业发展迅速，2003年半导体封装测试企业销售额超过240亿人民币，占我国整个半导体市场70%的份额。虽然封测业所贡献的产值最大，但是我们要看到，我国本土的封测企业目前的技术水平还比较低，作为劳动密集型代工产业的封装测试业，在我国仍然处于成长期。同时，质量控制水平也是影响半导体封装企业成本和效率的重要因素。与传统的制造过程相比，半导体封装制造质量分析和控制系统存在一些显著的特点，从而对集成质量系统提出了更高的要求。1)对传统数据分析手段提出新的要求传统的质量分析、控制和改进方法，以统计学作为主要的数据分析方法。但对于半导体封装过程来说，由于生产自动化程度高、生产速度快、数据量大、数据累计速度快等特征，仅仅使用统计学方法已不能满足快速诊断、快速决策、快速调整的要求。2)海量数据的分析和知识获取问题随着自动数据采集技术的进步和数据存储成本的下降，使得在生产过程中存储大量数据成为了可能。在半导体封装过程中，会积累大量与质量相关的数据，如设备状况、操作者、环境、原材料等信息。如何有效地对这些数据进行分析，从中挖掘出与质量诊断与质量改进紧密相关而又有用的知识和规则也是半导体封装过程中存在的一个亟待解决的问题。3)在线控制和分析的自动化程度有待进一步提高在半导体封装过程中，人仅仅在设备的初始设置和制造监控过程中起作用，其他的工作均由设备完成。这就要求对质量的分析、控制和改进等决策必须在线完成，而传统的方法在解决这一问题时存在困难。本文正是基于上述问题，研究半导体封装集成质量信息系统，以期解决半导体封装过程中的质量数据集成、分析问题，为半导体封装过程的持续质量改进提供有效支撑。2半导体封装过程简介通常所说的半导体封装是指利用膜技术及微细连接技术将半导体芯片和框架、基板、塑料薄片或印刷线路板中的导体部分连接以便引出接线引脚，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成整体立体结构的工艺技术。它具有电路连接、物理支撑和保护、外场屏蔽、应力缓冲、散热以及标准化等作用。按照封装介质、封装芯片等的不同，可以将半导体封装分为不同的种类，不同种类的封装过程在制造工艺方面有较大的差异。但总体而言，半导体封装一般都会包含固晶、焊线、封装、切割、测试及包装等几个工序。以某光电半导体封装SMD生产线为例，其3过程如图1所示。半导体封装的生产组织形式一般为多品种大批量，往往有十几甚至几十个品种的产品同时生产，同时，部分自动化设备如固晶、焊线及测试等系统可以实现在线数据采集，这为质量信息的集成奠定了物理基础。图1SMD生产线过程示意图3半导体封装质量信息系统集成模型依据半导体封装过程的特点，从不同的角度建立质量信息系统集成模型，为半导体封装集成质量信息系统的建立奠定基础。3.1半导体封装过程集成过程集成主要用于描述不同产品加工过程中的静态特性和静态数据，如所使用的设备及其参数要求、所使用的原材料、对操作工的要求、环境要求等，同时还包括产品规格、控制图的类型及参数等，最后是过程输出，如关键质量特性及其规格、批检方案以及缺陷分类等。根据半导体封装过程的特殊性，以加工过程为主线，以产品为对象，实现过程的静态集成。在半导体封装过程中，每一个工序往往有几十台同类设备，这些设备有的是通用设备，有的只能用于特殊的产品系列。基于设备在过程中的重要向和特殊性，我们以设备为对象作重点研究，半导体封装过程静态集成示意图如图2所示。3.2半导体封装过程数据集成在所建立的半导体封装过程静态集成模型的基础上，建立半导体封装过程的动态集成——数据集成，主要包括如下内容：41)工单，这是数据集成的主要研究对象，所有的数据集成均围绕工单进行。工单数据包括编号、产品、数量、特殊要求等。2)工单输入，是指工单在每一工序加工时的输入，包括加工期间的环境参数、具体的操作人员、所使用的设备及其参数、所使用的原材料批号等；3)工单输出，是指工单在每一工序加工时的输出，包括加工过程中的抽样数据、批检数据、缺陷及其数量、在不同工序完成加工后的合格率等。图2半导体封装过程静态集成模型将与质量有关的数据以工单为对象进行集成，不但有利于数据的分析和汇总，同时也有利于过程诊断和改进。3.3半导体封装过程质量工具集成在半导体封装过程中，会用到大量的质量工具，如统计分析工具、过程能力分析、测量系统分析、统计过程控制(SPC)以及试验设计(DOE)等，如何将这些质量工具进行有效集成，支持持续质量改进也是集成质量信息系统要解决的一个主要问题。根据半导体封装过程的特点，我们设计如图3所示的质量工具集成框架模型。质量工具集成模型框架最大的特征是将各个孤立的分析工具通过数据库进行了有效集成，如将工序能力和测量系统分析历史数据存入数据库，有助于工程师通过动态分析了解设备状况，将经过DOE分析和优化的工序最近参数存入数据库可直接对生产进行指导，同时其他各类的过程控制、统计分析以及过程诊断也都为数据库为中心实现了有效的集成。图3质量工具集成模型框架54半导体封装集成质量信息系统设计在所提出的半导体封装质量信息系统集成模型框架的基础上，建立半导体封装集成质量信息系统体系架构，并对各子模块的进行分项设计。4.1集成质量信息系统架构设计半导体封装集成质量信息系统体系结构如图4所示，主要由三个相互衔接的层次构成，分别是：数据采集层、数据分析层和数据呈现层，各层的功能详述如下。数据采集层，主要由操作员使用，主要负责日常业务数据的操作，包括所有静态和动态质量数据的录入、删除、修改等功能。同时，自动化设备的数据采集接口也在该层实现。除此之外，该功能层还应该包括一些简单的查询、统计以及日常报表生成等功能。数据分析层，这是质量数据分析系统的核心部分，许多数据分析功能都包括在这一功能层中。主要包括：控制限的设定与控制图的生成、统计分析功能（如数据正态性检验等）、工序能力分析以及质量诊断工具（以流程单为依据，汇集相关数据，进行分析与判定）。此外，根据需要，还可以增加向Minitab或者JMP等常用的统计工具传输数据的功能。数据呈现层，主要供高层管理人员使用，例如可以实时了解生产线产品合格率状况、工序能力状况、测量系统状况等，数据呈现以图形和报表为主，力求简单、直观。图4半导体封装集成质量信息系统体系架构4.2数据库及数据仓库设计6对于集成质量信息系统来说，数据库设计无疑是其核心，本研究中严格遵循关系数据库设计标准，设计了系统所需的所有表，在此基础上，建立质量数据仓库，并根据质量分析和诊断的需要，建立产品、时间、设备、原材料等不同维度的分析框架。5系统实现本系统的开发环境为MicrosoftVistudio.net，数据库采用SQLServer2000，实现了基于制造流程的质量信息集成，系统界面如图5所示，以一种树型结构实现了产品、工序、设备、CTQ、控制图及其他相关分析工具的集成。同时在本系统中还实现了各种质量工具的有效集成，包括工序控制、测量系统分析、试验设计（DOE）、过程能力分析、回归分析、方差分析以及时间序列等。图5半导体封装集成质量信息系统主界面(a)控制图设计(b)数据维护与控制图生成(c)远程查询图6半导体封装集成质量信息系统工序控制模块由于篇幅所限，我们仅就半导体封装过程控制模块的集成问题作详细介绍。一般应用SPC分成三个步骤：1）控制图类型的选择和参数确定；2）采样数据的录入与维护；3）控制图的绘7制与查询。根据半导体封装过程的特性，我们设计了如图6所示的工序控制模块，包括控制图设计、数据的录入与维护以及控制图绘制及查询等功能。其中，控制图数据能以XML的形式对外发布，从而使远程用户可以了解工序的真实状况。这样既可以为决策人员服务，同时也可以对客户开放，这一点对于OEM厂商尤为重要。6结论本文针对半导体封装过程的特点，提出