賈 彬，段 超

（中國(guó)空間技術(shù)研究院 宇航物資保障事業(yè)部，北京100094）

0 引言

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（statistical process control，SPC），是指用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)階段進(jìn)行評(píng)價(jià)和監(jiān)控，該方法目前較為成熟地應(yīng)用于各行業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，軍標(biāo)生產(chǎn)線普遍使用SPC作為品質(zhì)控制工具對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)工藝進(jìn)行質(zhì)量控制。由于航天產(chǎn)業(yè)的特殊性，大規(guī)模生產(chǎn)線較少，因此SPC在航天產(chǎn)品的研制工作中較難具備應(yīng)用條件。但作為元器件質(zhì)量保證單位，一方面面對(duì)型號(hào)用戶需求，須提供高品質(zhì)的元器件質(zhì)量保證服務(wù)；另一方面面對(duì)的是元器件生產(chǎn)廠，對(duì)他們提供的產(chǎn)品需代表用戶方進(jìn)行二方審查監(jiān)督，因此有必要了解SPC的原理并用其指導(dǎo)工程實(shí)踐。目前元器件質(zhì)量保證試驗(yàn)工作中采用SPC數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)控制進(jìn)行分析處理的工作還不成熟，僅對(duì)生產(chǎn)廠提供的SPC控制結(jié)果進(jìn)行檢查已不能滿足全面質(zhì)量控制的要求。本文重點(diǎn)站在二方審查角度，通過(guò)使用SPC方法對(duì)航天元器件生產(chǎn)廠提交產(chǎn)品在元器件質(zhì)量保證試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制，提出對(duì)航天常用元器件的關(guān)鍵工藝實(shí)施SPC具有現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐意義。

航天用元器件的鍵合絲如果在軌發(fā)生斷裂、脫落，將直接影響整個(gè)集成電路的功能輸出，進(jìn)而影響整個(gè)單機(jī)產(chǎn)品乃至整個(gè)衛(wèi)星的在軌使用。因此，對(duì)于集成電路的鍵合工藝將作為關(guān)鍵工藝進(jìn)行工藝水平控制，這就使得采用SPC進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控尤為重要。本文擬通過(guò)對(duì)宇航用戶委托質(zhì)量保證單位進(jìn)行的某集成電路破壞性物理分析（簡(jiǎn)稱DPA）試驗(yàn)項(xiàng)目中的鍵合剪切強(qiáng)度為數(shù)據(jù)源，以SPC理論中的-R原理為理論基礎(chǔ)，提出對(duì)航天常用元器件的關(guān)鍵工藝進(jìn)行 SPC，從而建立科學(xué)的預(yù)警模型的有效方法。

1 - R 控制圖的基本原理

均值與極差控制圖是計(jì)量值控制圖中最為常用的一種質(zhì)量工具，它是通過(guò)聯(lián)合使用X控制圖和R控制圖，調(diào)查平均值X和極差R是否有異常變化來(lái)對(duì)工序進(jìn)行控制的。其中X控制圖用來(lái)控制平均值的變化；R控制圖用來(lái)控制工序散差的變化[1-2]。

2 -R在關(guān)鍵工序數(shù)據(jù)監(jiān)控的應(yīng)用流程

將X-R控制圖作為對(duì)航天用高可靠元器件關(guān)鍵生產(chǎn)工序進(jìn)行監(jiān)控的預(yù)警辦法，采用科學(xué)的數(shù)學(xué)方法建立預(yù)警線（UCL），經(jīng)由對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，通過(guò) SPC的理論進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控和預(yù)警。當(dāng)判斷出某類元器件在某關(guān)鍵工藝上沒(méi)有滿足航天標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，對(duì)出現(xiàn)波動(dòng)的數(shù)據(jù)除按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行批拒收以外，還應(yīng)對(duì)其潛在的工序能力進(jìn)行判斷，如出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常應(yīng)建立有效措施加以改進(jìn)，其重點(diǎn)在于根據(jù)圖 1的流程不斷持續(xù)改進(jìn)該重點(diǎn)工序的工序能力指數(shù)。

圖1 使用控制圖監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)異常工作流程Fig. 1 The flowchart of using control chart to monitor the data anomaly

3 航天型號(hào)用集成電路鍵合工藝X- R控制圖的建立

選取為航天型號(hào)供貨的 XX廠采用同種工藝生產(chǎn)的同種型號(hào)的集成電路產(chǎn)品進(jìn)行DPA鍵合拉力試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源。由于該種類器件芯片有4根引線，對(duì)同種型號(hào)集成電路DPA試驗(yàn)中鍵合強(qiáng)度的80余個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，該數(shù)據(jù)分布滿足正態(tài)分布規(guī)律（如圖2所示），因此，可以考慮使用SPC中的-R控制圖對(duì)其關(guān)鍵工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。在此前提下，將每個(gè)芯片得到的4個(gè)數(shù)據(jù)組成為一個(gè)數(shù)據(jù)單元，并形成22組建立X-R控制圖的數(shù)據(jù)源，如表1所示。

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，該工序滿足的正態(tài)分布概率函數(shù)表達(dá)式為[3]

其中：21.764=u；5.952=σ。

圖2 集成電路鍵合工藝的正態(tài)分布擬合Fig. 2 Normal distribution fitting curve of the bond strength of the integrated circuit

表1 XX 廠XX型號(hào)集成電路鍵合力數(shù)據(jù)計(jì)算表Table 1 Coefficients of the control chart

根據(jù)GB/T 4091—2001規(guī)定，在X-R控制圖中必須先作R圖。如果先作圖，則由于此時(shí)R圖還未穩(wěn)定，所以的數(shù)據(jù)不可用；因此必須先進(jìn)行R圖判穩(wěn)，再進(jìn)行判穩(wěn)[4]。

通過(guò)計(jì)算樣本總均值得到=21.7636，R= 11.6，再計(jì)算R圖的中心線及控制限為

式中D3、D4為與樣本容量有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)表 2得[4]，當(dāng)子組大小為n=4時(shí)，D4=2.282。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)擬合成的極差控制圖如圖3所示。

圖3 XX廠鍵合工藝極差控制圖Fig. 3 The control chart for the bond strength out of control

在Ri判穩(wěn)后，再建立控制圖。由于在n=4時(shí)，查表 2可得A2=0.729，再將=21.7636，= 11.6帶入下式[5]，得到該廠鍵合工藝的均值控制圖（圖4）。

表2 計(jì)量控制圖系數(shù)表Table 2 Coefficients table of the measurement control

圖4 XX廠鍵合工藝均值控制圖Fig. 4 Control chart for the bond strength

4 過(guò)程能力指數(shù)的計(jì)算

根據(jù)GJB 548B《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》的有關(guān)規(guī)定：對(duì)70 μm鋁絲鍵合的強(qiáng)度要求是8 g[6]，而沒(méi)有上限要求，因此計(jì)算過(guò)程能力指數(shù)需采用單側(cè)公差情況的過(guò)程能力指數(shù)。在本例中，標(biāo)準(zhǔn)中只有下限要求而沒(méi)有上限要求，則下單側(cè)過(guò)程能力指數(shù)計(jì)算為

其中當(dāng)μ≤TL時(shí)，CpL=0。

將μ=21.7636g，TL=8 g，σ=5.952代入式(8)得

上述計(jì)算結(jié)果表明：XX廠鋁絲鍵合工藝的過(guò)程能力指數(shù)相對(duì)較低，需要立即采取針對(duì)性措施加以改善。

綜上所述，該廠鍵合工藝（以70 μm鋁絲為例）符合正態(tài)分布規(guī)律，說(shuō)明該廠鍵合工藝的極差控制在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上是受控的，通過(guò)采用單邊過(guò)程能力指數(shù)計(jì)算出該關(guān)鍵工藝的過(guò)程能力指數(shù)為0.77，過(guò)程能力控制相對(duì)薄弱，需要結(jié)合其工藝過(guò)程查找問(wèn)題原因。元器件質(zhì)量保證單位也應(yīng)結(jié)合型號(hào)實(shí)際需要，監(jiān)督生產(chǎn)廠做好關(guān)鍵工藝的 SPC工作，以提高生產(chǎn)廠的工藝控制水平。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于 SPC控制中的-R控制圖監(jiān)控方法，對(duì)航天元器件生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工藝過(guò)程進(jìn)行SPC控制，并按照-R控制圖要求，得到了該關(guān)鍵工序的控制限，同時(shí)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)，計(jì)算出XX廠對(duì)于70 μm鋁絲鍵合的過(guò)程能力指數(shù)，提出針對(duì)控制限以外的合格產(chǎn)品的控制要求。

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[1]周尊英, 劉海峰, 孫建國(guó). 質(zhì)量管理實(shí)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)[M].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009

[2]張鳳榮. 質(zhì)量管理與控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2006

[3]秦現(xiàn)生. 質(zhì)量管理學(xué)[M]. 2版. 北京: 科學(xué)出版社,2008

[4]全國(guó)質(zhì)量專業(yè)技術(shù)人員職業(yè)資格考試辦公室. 質(zhì)量專業(yè)理論與實(shí)務(wù)[M]. 北京: 中國(guó)人事出版社, 2010

[5]陳俊芳. 質(zhì)量改進(jìn)與質(zhì)量管理[M]. 北京師范大學(xué)出版社, 2007

[6]GJB 548B微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S]. 2007-07(2005-10-02頒布; 2006-01-01實(shí)施)