基于質(zhì)量工具融合的電源監(jiān)控芯片8D失效分析

易君謂 汪 旭 匡 芬

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 湖南 株洲 412000)

電子元器件在研制、生產(chǎn)和使用過程中不可避免地發(fā)生各種各樣的失效，失效分析的重要性日益凸顯。失效分析是指根據(jù)失效模式和現(xiàn)象，通過分析和驗(yàn)證，模擬重現(xiàn)失效的現(xiàn)象，找出失效原因的過程。失效分析作為電子元器件質(zhì)量和可靠性體系的重要組成部分，在技術(shù)開發(fā)、改進(jìn)、產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有較強(qiáng)的實(shí)際意義[1-2]。

當(dāng)前的失效分析主要套用傳統(tǒng)失效分析流程及方法，按照常規(guī)分析項(xiàng)目、順序開展分析工作，其局限性有：(1)系統(tǒng)性不足，多應(yīng)力失效難以定位根本原因；(2)采用順序思維方式，分析效率較低；(3)改進(jìn)措施不夠全面和徹底[3]。

針對(duì)傳統(tǒng)模式和方法對(duì)失效分析工作開展的限制，需要從分析流程、方案設(shè)計(jì)、工具應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析等維度對(duì)失效分析進(jìn)行優(yōu)化，以支撐和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高品質(zhì)與高可靠性的目標(biāo)。

1 基于質(zhì)量工具融合的8D失效分析法

8D問題解決法是一種最早在汽車產(chǎn)業(yè)、工業(yè)組裝領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的問題分析方法，8D意為8個(gè)解決問題的步驟，通常包括建立團(tuán)隊(duì)、定義及描述問題、確認(rèn)及實(shí)施暫行對(duì)策、識(shí)別及確認(rèn)根本原因、確認(rèn)永久對(duì)策、實(shí)施永久對(duì)策、采取預(yù)防措施、團(tuán)隊(duì)致謝/總結(jié)。8D問題解決法也稱團(tuán)隊(duì)導(dǎo)向問題解決方法，利用團(tuán)隊(duì)專長(zhǎng)、用確認(rèn)根本原因的方式聚焦問題的根源，并提出改進(jìn)、預(yù)防和標(biāo)準(zhǔn)化策略，可以有效提升失效分析活動(dòng)的系統(tǒng)性，提升質(zhì)量管理效能。

本文提出一種以8D問題解決法為主線的失效分析方案，將5M1E法、魚骨圖法、5W2H法、5WHY分析法、流程圖法等質(zhì)量工具或方法融入失效分析活動(dòng)中，在解決傳統(tǒng)失效分析局限性的同時(shí)，促進(jìn)失效分析工作更好地落地執(zhí)行，有效提升失效分析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和工作效能。

2 電源監(jiān)控芯片失效分析

2018年11月25日，某動(dòng)車所列車在投入蓄電池后，02車報(bào)代碼“6207”故障。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)故障代碼和技術(shù)原理分析，鎖定為某機(jī)箱故障。將故障機(jī)箱返回測(cè)試，在低溫狀態(tài)復(fù)現(xiàn)故障，判斷為電源監(jiān)控芯片失效。

2.1 團(tuán)隊(duì)組建

針對(duì)用戶現(xiàn)場(chǎng)偶發(fā)的電源監(jiān)控芯片失效問題，根據(jù)該問題涉及范圍組建失效分析團(tuán)隊(duì)，并明確團(tuán)隊(duì)成員以及對(duì)應(yīng)的屬性、職責(zé)如表1所示。

表1 團(tuán)隊(duì)成員信息

2.2 問題描述及定位

首先對(duì)問題信息進(jìn)行匯總分析，可采用5W2H法，從失效對(duì)象(Who)、失效地點(diǎn)(Where)、失效時(shí)間/產(chǎn)品運(yùn)行生命周期(When)、失效現(xiàn)象(What)、原因(Why)、現(xiàn)場(chǎng)處置措施(How)、失效數(shù)量(How many)等維度進(jìn)行問題描述。

(1)失效對(duì)象：電源監(jiān)控芯片，品牌為TI，型號(hào)為TPS3305-33D；

(2)失效地點(diǎn)：某動(dòng)車所；

(3)失效時(shí)間/產(chǎn)品運(yùn)行生命周期：2018年11月25日，運(yùn)行里程434 km，屬早期失效；

(4)失效現(xiàn)象：列車在庫(kù)外存放狀態(tài)、投入蓄電池后、02車報(bào)代碼“6207”故障，采取全車斷電復(fù)位措施后故障消除、且后續(xù)未再報(bào)出；

(5)原因：從故障代碼及技術(shù)原理維度展開分析，確認(rèn)為電源監(jiān)控芯片偶發(fā)失效；

(6)現(xiàn)場(chǎng)處置措施：現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防性更換02車故障機(jī)箱，測(cè)試通過；

(7)失效數(shù)量：1顆。

通過對(duì)上述問題信息匯總分析，已鎖定電源監(jiān)控芯片為偶發(fā)失效，可采用流程圖法制定分析方案，通過分析技術(shù)流程的執(zhí)行、獲取分析數(shù)據(jù)、確定電源監(jiān)控芯片失效機(jī)理。常見失效模式及機(jī)理定位流程如圖1所示。

圖1 失效模式及機(jī)理定位流程圖法

對(duì)失效樣品開展外觀檢查、電性能測(cè)試、X-Ray檢查、DPA分析(開封后SEM和EDX分析)，明確電源監(jiān)控芯片失效模式為低溫條件開路失效，失效機(jī)理為鍵合魚尾斷裂(見表2)。

在DPA分析中，在鍵合斷裂點(diǎn)附近EDX檢測(cè)到有Sn元素，正常情況不應(yīng)存在，說明在制作過程中存在外來污染物。

表2 失效模式及機(jī)理分析

圖2 外觀檢查圖

圖3 電性能測(cè)試圖

圖4 X-Ray檢查圖

圖5 SEM和EDX檢查圖

2.3 臨時(shí)策略

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)失效數(shù)據(jù)和電源監(jiān)控芯片的失效機(jī)理，應(yīng)用5WHY法進(jìn)行原因推導(dǎo)，制定臨時(shí)策略如表3所示，在短時(shí)內(nèi)避免失效繼續(xù)發(fā)生，防止問題擴(kuò)大化。

表3 制定臨時(shí)策略

2.4 原因分析

針對(duì)電源監(jiān)控芯片“魚尾斷裂”失效機(jī)理，繪制原因型魚骨圖如圖6所示，并根據(jù)5M1E維度排查，確定失效根本原因?yàn)殡娫幢O(jiān)控芯片封裝環(huán)節(jié)引入異常顆粒物(見圖7)。

圖6 鍵合魚尾斷裂的原因分析

圖7 顆粒物引起的鍵合不良示意圖

2.5 改進(jìn)措施

針對(duì)芯片制作階段異常顆粒物引入問題，從5M1E維度評(píng)估改進(jìn)措施，可以從材料、方法、環(huán)境、測(cè)試等方面形成改進(jìn)措施：(1)材料：加強(qiáng)鍵合加熱塊的表面清潔；(2)方法：增加產(chǎn)品出廠的缺陷攔截方法，開展低溫測(cè)試；(3)環(huán)境：加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境的潔凈度控制；(4)測(cè)試：更新產(chǎn)品出廠測(cè)試程序，將鍵合不良潛在缺陷樣品篩選出來。

2.6 執(zhí)行和驗(yàn)證

采用5W2H法落實(shí)TI封裝廠制程改進(jìn)措施的執(zhí)行和效果跟蹤，同時(shí)根據(jù)跟蹤制程CPK、不良率等數(shù)據(jù)，確認(rèn)執(zhí)行驗(yàn)證效果良好(見表4)。

表4 執(zhí)行和驗(yàn)證(TI)

2.7 預(yù)防和標(biāo)準(zhǔn)化

針對(duì)原廠制程缺陷問題，推廣到其他廠家或其他芯片類型，為了避免同類失效重復(fù)發(fā)生，制定預(yù)防和標(biāo)準(zhǔn)化措施如下：

(1)加強(qiáng)電子元器件來料質(zhì)量管控，定期抽樣DPA檢驗(yàn)(關(guān)注鍵合點(diǎn)形貌檢查和鍵合拉力測(cè)試)。

(2)梳理產(chǎn)品DFMEA表，針對(duì)產(chǎn)品的主要早期失效模式及機(jī)理、進(jìn)行出廠前測(cè)試攔截。

2.8 問題閉環(huán)

電源監(jiān)控芯片失效的根本原因是封裝環(huán)節(jié)引入顆粒物、造成芯片鍵合不良，針對(duì)原廠的制程環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)、預(yù)防和效果跟蹤，截至2021年底未發(fā)生過該類失效，跟蹤效果良好，問題得以閉環(huán)。

3 結(jié)束語

本文提出基于質(zhì)量工具融合的8D失效分析方法，以業(yè)界標(biāo)桿分析方法“8D問題解決法”為主線，將5M1E、魚骨圖、5W2H、5WHY、流程圖等分析方法融入到電源監(jiān)控芯片的失效分析中，針對(duì)來料缺陷，從來料檢驗(yàn)和產(chǎn)品測(cè)試攔截2個(gè)維度提出預(yù)防措施，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量提升起到了良好的促進(jìn)作用。