光电半导体封装测量系统能力分析方法研究

光电半导体封装测量系统能力分析方法研究

段赛男

天津三安光电有限公司  300392

 摘要：半导体封装测试是半导体制造中的一个重要过程，半导体封装是连接上游芯片供应商和下游客户的中间环节，在整个半导体产业链中占有重要地位。随着半导体产业链竞争的加剧，作为中间环节的半导体封装企业面临的竞争压力越来越大。如何提高生产效率和产品交付质量已经成为一个亟待解决的问题。

关键词：光电半导体封装;测量系统能力分析;分箱;

光电半导体封装以光电半导体晶片和PCB为主要原材料,经过一系列的加工环节,成为能够为客户直接应用的半导体元器件。光电半导体封装产品主要有3个质量指标:电压(VF)、亮度(IV)以及颜色(HUE,用波长表示)。在光电半导体封装完成后,要通过自动测试机将产品按照上述3个指标进行分类,即分BIN。针对光电半导体封装的特点,建立对其分B IN测试机的能力分析模型,并通过实证研究对模型的效果进行了分析。

一、封装的基本定义

封装（packaging，PKG）：主要是在半导体制造的后道工程中完成的。即利用膜技术及微细连接技术，将半导体元器件及其他构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过塑性绝缘介质灌封固定，构成整体主体结构的工艺。封装工程：是封装与实装工程及基板技术的总和。即将半导体、电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于机器或系统的形式，并使之为人类社会服务的科学技术，统称为电子封装工程。封装一词用于电子工程的历史并不长。在真空电子管时代，将电子管等器件安装在管座上构成电路设备一般称为组装或装配，当时还没有封装这一概念。自从三极管、IC等半导体元件的出现，改变了电子工程的历史。一方面，这些半导体元件细小柔嫩；另一方面，其性能又高，而且多功能、多规格。为了充分发挥其功能，需要补强、密封、扩大，以便与外电路实现可靠地电气联接，并得到有效地机械支撑、绝缘、信号传输等方面的保护作用。“封装”的概念正是在此基础上出现的。

二、光电半导体封装分BIN测量系统

光电半导体封装分BIN工序过程如图1所示。

图1光电半导体封装分B IN过程示意图

从图1可以看出,分B IN过程实际上就是通过对产品的3个质量指标(VF、HUE和IV)进行测量,并按照测量值将产品归入不同的B IN。其中归入不合格B IN的产品主要有2种情况:（1）产品存在质量缺陷,如不能导通、不发光等;（2）不在客户需要的指标范围内,如某一指标异常高或异常低。光电半导体封装分B IN测量系统与常见的测量系统有很大的不同:1)产品分B IN的结果依赖于测量系统的准确性和稳定性,但对于处于B IN规格范围内不同位置的产品,分BIN出错的概率不相同;2)常见的测量系统都是一维的,而光电半导体封装分B IN测量系统的测试是三维的,任何一维的能力低下都将导致出错概率增加;3)光电半导体封装分B IN测量系统是完全自动化的,除校正机器外,其余过程受人为因素影响很小。

三、分BIN工序测量系统分析方法

对于这一特殊的测量系统,采用传统的测量系统分析方法进行,存在如下几个方面的问题:1)由于一般产品分B IN会达到16或32个,对于特殊的产品,可能高达64BIN甚至更多,如果对每一BIN单独进行实验分析,则实验规模会非常大,可操作性很差;2)测量只是该工序的一个环节,其主要的目的在于要对产品进行分BIN,而传统的GR&R分析方法不会考虑这一目的,分析结果对真正了解过程能力作用不大;3)对单一B IN的分析并没有考虑测量指标之间的交互作用。为此,可以采用Attribute GR&R的方法进行混合实验设计。Attribute GR&R简介。Attribute GR&R是用于对产品进行合格/不合格检验工序的测量系统能力进行分析的一种方法,通过对精心选择的产品进行多次重复检验,判断测量系统是否满足工序要求。主要考虑4个指标,各指标的计算及含义如下。1)有效性(E):确定准确区分合格和不合格产品的能力。这一指标用从0到1中的数来表示,1代表最好,其计算公式如下:E=正确确定合格(不合格)产品的数目/所有的出错机会数。其中出错机会数等于选择产品的数量乘以重复次数。2)存伪概率(Pmiss):存伪概率是没有拒收不合格产品的概率,存伪概率可以用下列公式计算:

Pmiss=存伪数量/存伪机会。

存伪机会等于选取的不合格产品乘以重复次数。3)去真概率(P fa):去真概率是拒收合格产品的概率,去真概率计算如下:

Pfa=去真数量/去真机会。

去真机会等于合格产品的数量乘以重复测量次数。4)偏差(B):偏差是定义一个测量系统去真和存伪概率的偏差,其计算公式为:B=Pfa/Pmiss。判断规则为:

B=1表示没有偏差;

B>1表示偏差趋向拒收合格产品;

B<1表示偏差趋向于接收不合格产品。

2.单一BIN的Attribute GR&R分析方法。产品选取规则如下:1)将IV和HUE两个指标的值确定在BIN规格的中心;2)在该B IN的VF规格范围内、客户规格和BIN规格范围内以及客户规格和B IN规格范围外各选取M/9个产品;3)该B IN的其他两个测量指标的选取与上述方法类似。将选择的产品放入测试机,连续随机测量n次,共获得n组数据,并将数据记录在表1所示的表格中。

表1 Attribute GR&R分析实验数据记录表

G代表BIN中的产品,B代表BIN外的产品

上述结果根据Attribute GR&R的计算方法,可以分别计算其有效性、去真概率、存伪概率和偏差。

四、实验的改进

第2部分所述的方法可以用于对单一BIN进行测量系统分析,对于某些分B IN结果比较集中的产品具有一定的实用性。但是,由于测量系统的线性问题,仅仅对单一B IN进行分析还是不够的。如果对所有B IN都采取上述方法进行分析,则实验的规模会变得非常大,为此,笔者对实验设计方法作改进。

1.实验设计。由于BIN规格存在连续性,假设错误分B IN只能出现在相邻BIN,并且不会出现相邻BIN同时出错的情况(从工程的角度来说,这一假设是合理的),则实验会大大简化。1)设最终产品根据3个指标共分K个B IN,根据分BIN的具体情况,从每B IN中随机抽取M个产品,并保证产品在B IN中的分布均匀。2)连续随机测量N次,获得N组数据,结果记录在表2中。

表2改进后的GR&R分析数据记录表

计算Attribute GR&R的各项指标。

2.计算及结果分析。1)有效性的计算。有效性E=Q/K.M.N。其中,K为分B IN的个数,M为每B IN抽取的产品数量,N为重复测量的次数,Q为正确区分各B IN的数量,Q计算公式为:

其中,

2)存伪概率。存伪概率Pm iss=Q/3.M.N。其中,M为每B IN抽取的产品数量(由于考虑3个指标,所以每B IN有3个B IN与其相邻),N为重复测量的次数,Q为将产品放错B IN的数量,Q的计算公式为:

3)去真概率。去真概率P fa=Q/M.N,其中M为每BIN抽取的产品数量,N为重复测量的次数,Q为将某一B IN产品放入其他B IN的数量,Q的计算公式为:

4）偏差。偏差B=P fa/Pmiss。

总之，通过对Attribute GR&R方法的改进,可以有效地对光电半导体封装分B IN测量系统进行分析,在保证分析结果有效性的前提下,利用合理的假设有效降低实验规模。如果对同一测量设备进行长期跟踪,则可以获得测量设备有效性的变动规律和趋势,对于深入了解测量设备能力随时间的变动同样具有一定的指导意义。

参考文献:

[1]刘国华,光电半导体封装测量系统能力分析方法探讨.2021.