PBA kwaliteit: cijfers graag! - Hardware Conference

PBA kwaliteit: cijfers graag!Hoe doen we dat?Geert WillemsImec – EDM programmaBits & Chips Hardware Conference9 juni 2011

Electronic Design & Manufacturing programmaMISSIEHet ondersteunen van de industrie bijde specificatie, ontwikkeling en fabricagevan hoogwaardige, betrouwbare enkosteffectieve elektronische modules doorkenniscreatie en kennisverspreiding,het gebruik van wetenschappelijkonderbouwde methodologieën ensamenwerking doorheen de elektronischetoeleveringsketen.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be2

Inhoud1. PBA kwaliteit: cijfers graag!Wat hebben we nodig?2. Wat bestaat er vandaag?3. Hoe kan het beter?4. Aan de slag: de praktijk5. Modellering6. Besluit© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be3

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?KWALITEITThe properties of the product – whatever they may be –agree to or exceed specifications.A non-quality issue is any property of the product that doesnot satisfy specifications or expectations.Specificatie/verwachting:• 100% functionaliteit van PBA bij klant streefdoel minimalisatie van risico P op niet-functionerende PBA.• Falingsrisico P = 1 – Y (Y = PBA yield na productietest)P = Reliability(t=0)=”Zero Hour Defect rate (ZHDR)”

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?• De kans op assemblagefouten is niet nul:minimalisatie, kwantificatie, detectie en herstel.• De hele supply-chain deelt in de verantwoordelijkheid voorhet minimaliseren van de PBA falingskans P.• Het ontwerp draagt de hoofdverantwoordelijkheid via layouten onderdeelspecificatie. “Rubbish in is rubbish out”.∂P∂inputs>>∂P∂procesIeder PBA vertegenwoordigt een zeergroot aantal inputparameters D-f-Assembly is een noodzaak© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be5

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?PBA yield hangt af van de geselecteerde componentenFalingsfrekwentie stijgt met:• Kleinere terminalen• Kleinere pitch• Afnemende terminaal coplanariteit• Extreme dimensies (heel groot/klein)• Geringe dimensionele kwaliteit• Geringe terminaal kwaliteit (dimensies, vorm, soldeerbaarheid,…)COMBINATIE!• Kleine hoge densiteitverpakkingen:µBGA, 0402, 0201,...• Grote componenten:DPAK, Trafo, Condensators,...Stig Oresjo - AgilentHoe kwantificeren?© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be6

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?Een falingsvrije PBA vertoont geen enkel defect. Om de yield Yof het falingsrisico P te bepalen dient de kans dat een defectoptreedt bepaald te worden. Daarvoor dienen:• De mogelijke assemblage defecten gecatalogeerd:Defect Opportunities - DO– PCB– Componenten– assemblage materialen– assemblage processen• De kans op defecten gekwantificeerd:Defects Per Million Opportunities – DPMO (ppm)• De impact van productietest gekwantificeerdDe kwantificatie hangt af van de defectdefinitie.Defect en testimpact kwantificatie zijn gekoppeld!© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?Kansberekening: Yield Y berekening – PBA falingsrisico P=1-YAlgemeen: DPMO i foutkans voor DO iFirst pass yield = kans op falingsvrije PBA = kans op 0 defectenYDO= ∏[1−i=1= [1 − DPMODPMO ] = 1−Pav≈1−DO ⋅ DPMO]iDOindex(definitie gemiddelde(IPC - 7912)DPMO)Yield Y en PBA falingsrisico P hangen af van:• Assemblage foutfrekwentie: DPMO i per DO iONTWERP, componenten, PCB, assemblageprocessen,...• De PBA complexiteit: DOOntwerp© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be8

Yield (%)1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?Significant number of failing PBALarge variation in number of failing PBA100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.00•Major20.00impact on yield of aquality 10.00 issue.0.0010 +/- 3 DPMODPMO vs.Yield• Significant number of failing PBAin spite of a high manufacturing quality•Large variation in yield due to smallstatistical fluctuations in manufacturing,component or material quality0 10 20 30 40 50 60Manufacturing error rate70 80 90 100Defects per Million Opportunities (DPMO)PBA complexity# DefectOpportunities(DO)100200500100020005000100002000050000100000Telecom1Telecom2Telecom3Telecom4© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be9

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?medium complexiteit:• ODM A (design+assembly)• 500 componenten• 5000 DO/PBA• Y=92%ODM ADPMO av = 1-Y 1/DO= 17 ppmWelke ODM levert de beste kwaliteit?Hoge complexiteit:• ODM B•2500 componenten•25000 DO/PBA• Y=85%ODM BDPMO av = 1-Y 1/DO= 6.5 ppm© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be10

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?Production testmethoden• Inspectie methoden- Visual inspection door operator- Automatic Optical inspection (AOI)- 2D-Xray inspectie (manual/automatic)- 3D-Xray inspectie• Electrische testmethoden– Flying probe testing– In-Circuit Testing (ICT) with bed of nails(Manufacturing Defect Analysis (MDA): “passive ICT”)– Boundary Scan testing (JTAG):virtual bed of nails– Functional testing© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be 11

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?Wat kunnen testen detecteren?Sterke punten:iNEMIAOI: visuele inspectie– Ontbrekende componenten (P)– Orientatie van componenten (O)ICT: elektrisch– Kortsluitingen (S)– Opens (vals contact!) (O)– Correcte component (C)Functionele test:– Kortsluitingen (S)– Opens (vals contact!) (O)– Correcte component (C)– Defecte component (L, FAIM)TESTSTRATEGIE: “Fill the gaps”PresenceCorrectnessOrientationLiveAlignmentShortOpenQualityFeatureAt-SpeedIn-parallelMeasurement© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be12

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?De impact van test:• Een productest identificeert op systematische wijzebepaalde types defecten (niet random!). herstelling (100% OK verondersteld)• Geen enkele structurele test kan alles detecteren.Ook functionele test is in de praktijk beperkt.• Wat kan geïdentificeerd worden, hangt af van de gebruiktetesttechniek en bepaalt de Testdekkingsgraad (test coverage).De testdekkingsgraad TC i = TA i x TE i :– Testtoegankelijkheid (test access) tot DO i : TA iIs de defect opportuniteit toegankelijk voor de test?– Testefficiëntie (test efficiency) van DO i : TE iHoe effectief kan de fout gedetecteerd worden?• De kwantificatiemethode dient met dezebasiseigenschappen rekening te houden.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be13

1. KwaliteitcijfersWat hebben we nodig?Definitie van defectcategorieën: verlanglijst• Overeenstemmende met fysische fouten (≠elektrisch)• “As simple as possible but not simplier” (A. Einstein)• Aansluitend bij industriestandaarden:© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be14

2. Kwaliteitcijfers:Wat bestaat er vandaag: IPC-7912A• Duidelijk gedefinieerde PBA Defect Opportunities (DO)– Defecte PCB: #DO=1– Defecte component: #DO = # componenten– Foutief geplaatste component: #DO = # componenten– Defecte interconnectie: #DO = # terminaties– Defect op PBA niveau: #DO = 1– #DO=1+1+2x #componenten + #terminals• Defects Per Million opportunities DPMO– Duidelijke definities en defect telmethode© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be15

2. Kwaliteitcijfers:Wat bestaat er vandaag: IPC-7912Kritiek – Beperkingen• Gericht op meten van foutfrekwentie• Kwaliteitsindexen DPMO index ≈DPMO av , OMI≈P• RISICO: foutwaarschijnlijkheid PBA falingskans P/yield en testimpact• Geen testaspectenStig Oresjo - AgilentTe weinig detail (te eenvoudig):– Verschillende foutwaarschijnlijkheidvoor verschillende type foutenbv. short vs. open– Testmethoden hebben eenverschillende capaciteit om bepaalde fouten te detecteren.Vb. AOI: ontbrekende vs. verkeerde component– Definitie van defecttypes binnen de hoofdcategorieën IPC-7912?© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be16

2. Kwaliteitcijfers:Wat bestaat er vandaag: IPC-7912IPC-7912 classificationOnbruikbaar:• Geen definities• Geen structuur• Geen hierarchie• Achterhaald• ...© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be17

2. Kwaliteitcijfers:Wat bestaat er vandaag: test modellenTest coverage: welke fouten kunnen testen detecteren?Afhankelijk van het soort defect defectmodellen vereistIndustrie defectmodellen (≠IPC-7912 – gericht op test)– PCOLA/SOQ (Agilent)Presence, Correctness, Orientation, Live, AlignmentShort, Open, Quality– PCOLA/SOQ/FA(I)M (iNEMI):+ Feature, At-Speed, (In-parallel), Measurement– MPS (Philips)Material, Placement, Solder– PPVS (Aster – Testway)Presence, Polarity, Value, SolderBedenkingen:• Niet gestandardiseerd –niet opgelijnd met IPC-7912IPC-7912: Component – Plaatsing – Terminatie – PCB/PBA• Detailniveau variabel: groepering van defecten• Definitie van defectcategorieen - test coverage – structuur?• Verschillende modellen geven verschillende resultaten.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be18

2. Kwaliteitcijfers:Wat bestaat er vandaag: iNEMIDefect spectrum:Joint – Component structural – Component electricalTest Coverage T C = Test Access T A x Test Effectiveness T EDefects found D f = T C x DKritiek:Meerdere testen D f = T C1 x T C2 ...T Cn x D FOUT!Een test is niet random!Een test elimineertdefecten op systematischewijze! (D: defectgroep)Overbodigevereenvoudigingen Foutieve berekening© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be19

2. Kwaliteitcijfers:Wat bestaat er vandaagDe huidige (bekende) industriële methoden zijn ontoereikend omop correcte en reproduceerbare wijze PBA yield en falingsrisicovoor en na productietest te bepalen.• Onvoldoende detailniveau: verschillende defecttypes/DO• Consistentie van definities• Oplijning van defectmodel met testmodel• Benaderingen op verschillende niveau’s: groepering• Foutieve rekenmethodes• ...Dat kan veel beter... en is niet noodzakelijk moeilijker.Essentieel: dezelfde defect/test taal gaan spreken.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be20

3. Hoe kan het beter?Defect model: As simple as possible...EDM Voorstel• IPC-7912 afgestemd• Defect Types voor elkeDefect Opportunity Do i (N i )• Afstembaar op andereindustriemodellen:PCOLA, MVS, PPVS,...EDM definities– Functionele defecten– Acceptatie defectenIPC class 1-2-3– Fysische fouten– Onafhankelijk van oorzaak– Zo eenvoudig mogelijk© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be21

3. Hoe kan het beter?Test impact• Eenduidige beschrijvingsniveau defecten en testcoverage:Voor elk Defect Type k behorende tot een bepaalde DefectOpportunity DO i :k• Test access TA i : Kan aan defecttype k van opportuniteit i gemeten worden?k– Alle circuit en testgegevens beschikbaar: TA i =0/1k– Beperkte informatie (bv. BOM): TA i=waarschijnlijkheidk• Test efficiency TE i : Waarschijnlijkheid dat defect kan geidentificeerd worden.• Effect van een test:– Interpretatie 1: Foutfrekwentie wordt gereduceerd 0 (perfecte herstelling)– Interpretatie 2: Elimineert een Defect Opportuniteit– NIET (!): reductie met een fractie TC van het aantal defecten in een groepvan defecten D.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be22

3. Hoe kan het beter?Berekenen van yield voor en na testImpact van een productietest op Yield en PBA foutkans?DPMO van DO i na test t:Yield– met– Test coverage per defecttype: TC i– Test access per defecttype: TA i– Test efficiency per defecttype: TE i• Na test:Y• Meerdere testenaDPMO = ( 1−TC )aakiDO= ∏(1−i=1= 1−DPMOkiPaakiDPMODPMO∏j=testIDiiDPMO)ki= 1−kiN i∏k = 1[1−= (1 −TC( j))DPMOaDPMOkiki]Foutkansen (Y,P) berekenennadat impact van testenbepaald werd op DO niveauTestsystematiek correct inrekening gebracht!© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be 23

3. Hoe kan het beter?Resultaat voorbeeld© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be24

3. Hoe kan het beter?EDM aanpak – SamenvattingEDM aanpak• Aansluitend bij IPC standaard IPC-7912• Gericht op identificatie van fysische fouten• Beschrijving van foutspectrum en test coverage opDO-niveau levert een correcte methode op voor hetberekenen van de impact van testen op de PBA foutkans.• Geen intermediaire benaderingen.Met een PC is dit niet moeilijker dan de benaderende methodes vanbv. iNEMI.• Definities zijn essentieel:defecttypes – test access – test efficiëntie – test coverage.Doel:Objectieve, universeel toepasbaar en principieel correcteaanpak van foutfrekwenties en testcoverage.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be25

4. In de praktijkHoe te beginnen met PBA kwaliteitkwantificatie?Eerste stap: dezelfde taal spreken tussen OEM – EMS• Eenzelfde defectmodel gebruiken• Dezelfde definities van testcoverage hanteren• EDM biedt een wetenschappelijk onderbouwde,wiskundig correcte en universele methodiek aan.• Uitdaging: onderlinge afspraken– OEM – EMS– EMS – EMS© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be26

4. In de praktijkMeten en karakteriseren van kwaliteit• First Pass Yield Y FP , First Pass foutrisico P FP =1-Y FP ≈OMI (IPC)– Kwaliteitsparameter voor PBA (product)– Geen kwaliteitsparameter voor PBA ontwerp noch assemblage (EMS).PBA complexiteit mee geïntegreerd.• Gemiddelde DPMO av ≈ DPMO-index (IPC: defecten tellen)– DPMO av = 1-Y 1/DO (afleidbaar uit testresultaten)– Basis voor ontwerp en assemblage kwaliteitsevaluatie• Yield Y na test/foutkans P na test: is niet meetbaar– omdat 100% test coverage in de praktijk niet realiseerbaar is!– Kan enkel ingeschat worden.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be27

EMS4. In de praktijk• Breng eigen assemblagerisico’s in kaart– Catalogiseer/rapporteer productietestresultaten volgens standaarddefectmodel.– Vertaal eigen foutcodes naar standaarddefecten– Analyseer– Uitdaging:• Bij lage volumes en lage foutfrekwenties is het moeilijk statistischrelevante hoeveelheden data te verzamelen.• Alternatief: gebruik een afstembaar “universeel” defectmodel• Kwantificeer de coverage van de ingezette tests volgens hetstandaard fysisch defectmodel.• Ontwikkel een gekwantificeerde teststrategiemethode• Meer toepassingen: toevoegen van assemblagetijden, kosten,... Voorspellen van productietijden, goederenstroom, capaciteitbezetting,uitvalsrisico’s, schrap, leveringsrisico, offertes, logistiek...© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be28

4. In de praktijkOEM• Introduceer een gekwantificeerde Design-for-Assembly methodiekop basis van een gestandardiseerd defectmodel, een “universeel”DPMO model en test coverage model.• Voorzie DfTest maatregelen (bv. test pads) bij complexe en/offalingsrisico kritische PBA.• Bepaal ontwerpvereisten op vlak van DfA, DfTest en DfReliability.Evalueer ontwerpkwaliteit.• Werk aan de ontwerpcultuur om DfX te verbeteren:– Industriële PBA vergen andere ontwerpkeuzen dan consumerproducten– Bv.: Hoge densiteitverpakkingen en bijhorende PCB layouts zijn geenuniversele oplossingen.– De fysische realisatie en werkingsaspecten van een PBA zijn minstenseven belangrijk als de functionaliteit en nemen stelselmatig in belang toe.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be29

4. In de praktijkKwaliteit – Yield – foutrisico P – voor/na test• Praktische toepassing van PBA falingsrisico kwantificatievergt eenduidige definities gerelateerd aan een fysischfoutkansmodel.• Industriële test tools: Welk foutmodel? Welke definities?– Definities: Test coverage ≠ test access ≠ elektrisch net access– Relatie met fysische foutmodel:Elektrisch meten aan/tussen netten versus fysische fouten.Bijkomende studie vereist.– Wat indien (nog) geen elektrisch schema/netlist voorhanden is?• Yield na test/foutrisico P:– Enkel te schatten via foutkansmodel en test coverage model.– Voor lage volumes en voorspellingen: nood aan universele modellen.Studie vereist.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be30

5. ModelleringEDM aanpakRaw information• Data - physics• Relationships - graphsStructuring the approximation levelsEDM: ontwerpondersteuning• 0-order (default) modelsModel ontwikkeling– Use only BOM information– Typical use: concept and early design stage, production: non-PBA specificquestions• 1a-order models– 0-order + electrical schematics (netlist e.a.) information– Typical use: intermediate design stage, production: electrical test, yield• 1b-order models– 0-order + CAD (layout e.a) information– Typical use: intermediate design stage, production: proces, inspection, yield• 2-order models– 0-order + CAD + electrical schematics information– Typical use: PBA specific generic analysisKnowledge description• Algorithms• Look-up tables• 3-order models– 2-order + hardware configuration info (FPGA configuration e.a.)– Typical use: PBA specific generic analysis for PBA with customised components• 4-order models– 3-order + embedded software info– Typical use: Functional test development, production: test coverage of functional test.Industrial toolsRelatie met fysische fouten© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be31

5. ModelleringDPMO modelleringDPMO modellering: industrieel-publiekwww.ppm-monitoring.com One billion Solder Joint study(Agilent/1999-2002)iNEMI• oude data• hoge ppm waarden© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be32

5. ModelleringDPMO modellering: EDM• Component defects: 11 categorieën• Termination defects & placement defects: 16 categorieënIn functie van Package Outline Style / Terminal Shape / Terminal PositionSMT 2 leaded ChipSMT 2 leaded C,L bend (Ta, diode)SMT 2 Leaded MelfSMT 2 Leaded OtherGullwingJ-LeadedBGACGALGANo leaded QFNNo leaded ChiparraySMD OtherTH Press FitTH ConnectorsTH OtherAll OtherIn samenwerking met EDM partnersDPMO analysis• 30000 PBA• >500.000.000 DOand counting...Lage foutfrekwenties (1

5. ModelleringImplementatiePBA simulatie tool• DPMO model• Test modellen• AOI• Elektrisch© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be34

Besluit• PBA kwaliteit en test coverage kwantificatie vereist eenwetenschappelijke, wiskundig correcte onderbouw en aanpak.• De huidige industriële aanpak kan beter:– Verschillende foutmodellen: structuur, detailniveau– Gebrekkige/onduidelijke definities en geen standaardisatie– Benaderende (soms incorrecte) berekeningsmethodes• EDM aanpak: Eenzelfde taal gaan spreken– Oplijning met IPC-7912 standaard– Exacte berekening van samengestelde PBA foutkans en Yield– Exacte berekening van testimpact door berekening op defectopportuniteitsniveau.– BOM gebaseerde modellering van DPMO, test coverage, e.a., terondersteuning van PBA ontwerp, productie en test.– PBA Simulatietool implementatie – MS office platform• Basis voor systematisering en standaardisering van PBAkwaliteit en falingsrisico.© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be35

Dank U voor uw aandachtGeert.Willems@imec.be++32-498-919464www.edmp.be© Sirris 2011 © imec 2011 | www.edmp.be36