电子元器件生产线Cpk实施过程控制要求研究

许志涛+蔡戬+王卫东+吴金平+古文刚+孙丽+赵惠芹+赖燕

摘要：该文首先对Cpk的实施过程及相关理论进行了描述；然后从理论控制和协议要求方面对Cpk的实施提出了控制要求，为电子元器件生产线Cpk的实施提供了指导。

关键词：生产线；关键工序；Cpk

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0253-02

1 概述

Cpk（Process capability index）是工序能力指数的英文简称，是指工序在一定时间里，在控制状态（稳定状态）下的实际加工能力。它是工序固有的能力，或者说它是工序保证质量的能力。工序能力是指工序处于控制状态下特有的波动量，是工序固有波动的测度，是着眼于工序在控制状态下可能达到的稳定程度反映工序本身的生产能力。这里所指的工序，是指操作者、机器、原材料、工艺方法和生产环境5个基本质量因素综合作用的过程，也就是产品质量的生产过程。产品质量就是工序中各个质量因素所起作用的综合表现。

长期以来，传统工业生产中广泛采用工序能力指数Cpk表征生产工艺水平，从而定量表征参数一致性程度，评价实际工艺水平的高低，也表示了正常生产情况下工艺成品率的高低。Cpk值越大，对应工序工艺水平就越好，该工序产品成品率就越高；Cpk值越小，对应工序工艺水平就越差，该工序产品成品率就越低。目前国际上对先进工艺水平的要求是单道工序的Cpk值不小于1.5，对应单道工序加工结果的工艺不合格品率不大于3.4 PPM（PPM：Parts PerMillion），即不大于百万分之3.4. 工艺成品率足够高，产品一致性足够好，才能保证生产的产品具有很高的内在质量和可靠性。

虽然，电子元器件承制单位多采用Cpk来定量评价关键工序的工艺水平和能力，同时采用相关控制软件来计算Cpk值，但部分承制单位只关注Cpk最终结果，而对数据采集、计算等环节不做具体要求。Cpk值能否真实反映工序能力，与数据采集、计算等中间环节有着重要的关系，因此有必要重点关注中间环节，提出控制要求，作为承制单位实施Cpk技术的一个重要指南。

2 Cpk实施过程

对于一条生产线，实施工序能力指数的流程如图 1所示，共包括5方面的工作。

（1） 确定关键过程节点和关键工艺参数

通常一条生产线包括多道工序，实施工序能力指数评价的第一步工作是确定需要进行工序能力指数评价的关键过程节点，即确定关键工序，同时确定表征过程节点状态的关键工艺参数。

（2） 采集工艺参数数据

为了评价关键工序的工序能力指数，应该按照要求采集关键工艺参数数据。

（3） 统计受控状态评价

只有对稳定受控条件下采集的数据进行的工序能力指数评价结果才能代表实际工艺水平，因此应该采用SPC技术对采集的数据进行分析，确认制造过程处于统计受控状态，再进行工序能力指数评价。

如果制造过程已处于统计受控状态，则可以采用SPC评价使用的数据进行工序能力指数评价。

（4） 工序能力指数计算

采集有满足要求的数据后，就应该针对工艺参数的特点，选用合适的计算模型和方法，计算工序能力指数值。

（5） 工序能力指数计算结果分析

目前国内和国际上对工序能力指数的基本要求分别是不低于1.33和1.5.高水平要求则分别是1.67和2.0。

如果工序能力指数计算结果偏低，表明工艺水平尚不满足要求，就需要查找原因，解决问题，提升工序能力指数值，满足生产要求。

3 Cpk实施过程控制要求

部分电子元器件生产线是政府与承制单位共建，政府对生产线上Cpk值有要求，另外，部分用户对生产线的Cpk值也有要求，这些要求均以协议形式体现。此外，Cpk实施过程中，涉及了关键过程节点和关键工艺参数的确定、参数数据的采集、参数统计受控状态的分析、Cpk值的计算以及Cpk值计算结果的分析。实施过程中，每个环节均须满足相关理论要求，才能保证Cpk的最终结果真实有效。因此，Cpk实施过程控制要求的建立须从理论及实施控制要求、协议要求和等两个方面提出要求。

如图 2所示，本文所提出的Cpk控制要求拟从理论及实施控制要求和协议要求等两个方面出发，并将其细化成若干个子项评价要求，最终以评价表形式呈现。

3.1 理论及实施控制要求

对于一条生产线，实施工序能力指数的流程如图 1所示，共包括5方面的工作：确定关键过程节点和关键工艺参数、采集数据、统计受控状态分析、计算工序能力指数以及工序能力指数计算结果分析。

目前，生产线的关键工序和关键工艺参数基本是通过研制生产的经验以及评审而确定的，因此所构建的控制要求不考虑关键工序和关键工艺参数确定环节。

3.1.1 采集工艺参数数据

为了评价关键工序的工序能力指数，首先应该按照要求采集关键工艺参数数据。

采集工艺参数数据环节Cpk评价体系的建立主要从如下三个方面开展：

1） 须对测量仪器设备有相关的管理规定，内容应不仅限于：计量校准要求、重复性评价、再现性评价以及精密度评价等；

2） 所采集的数据量须满足一定量的要求，如不小于100，且采集频次固定；

3） 须分析所采集数据所服从的分布类型，如正态分布、对数分布等。

从以上三方面开展评价体系建立工作的原因为：

1） Cpk评价对测量仪器的要求

由于存在各种不可避免的因素影响测量结果，导致测量结果必然存在误差。可从“准确度”和“精密度”等兩个方面描述测量系统的误差。测量系统的准确度是指测量结果的平均值与真值之间的接近程度，用于描述测量值与实际值之间的差异。可以通过计量校准的方式提高测量系统的准确度。测量系统的精密度是指采用同一台仪器多次重复测量同一个对象，测量结果分散性的大小，反映了测量过程的随机误差。endprint

对于大多数测量过程而言，测量误差基本服从正态分布。正态分布的均值取决于准确度，反映了“系统误差”的大小。而正态分布的标准偏差则取决于精密度的高低，或者说反映了随机误差的大小。

如果测量仪器的“准确度”不高，则会导致测量结果与实际值差别较大。当测量结果比实际值偏大时，计算出的Cpk值比实际值偏小；当测量结果比实际值偏小时，计算出的Cpk值比实际值偏大。测量仪器的“准确度”不高，则会影响Cpk值，使其不能如实反映真实的工序能力，因此需要对测量仪器的“准确度”提出要求。

如果测量仪器“精密度”不高，即测量仪器的标准偏差太大，则导致计算中采用的数据标准偏差明显大于实际工艺参数本身的标准偏差，导致计算的工序能力指数偏低。因此需要对测量仪器的“精密度”提出控制要求。

综上所述，测量仪器的准确度和精密度对Cpk值的影响比较大，因此需要对两者提出控制要求。定期對测量仪器进行计量校准可保证仪器满足准确度的要求，定期对测量仪器进行重复性和再现性进行评价，可确保仪器的精密度。因此，Cpk实施过程须对测量仪器提出如下控制要求：须对测量仪器设备有相关的管理规定，内容应不仅限于计量校准要求、重复性评价、再现性评价以及精密度评价等。

2） Cpk评价对数据量和采集频次的要求

Cpk计算评价是依据数理统计原理进行的，其原理是根据有限个数的工艺参数数据推算描述母体分布的参数，进而计算Cpk。数据个数越多，计算结果越接近真值。但是考虑到实际可能性，不可能要求数据个数太多，一般有100个数据即可。对于某些特殊工序而言，采集数据的难点太大或者代价太高，也可以只采用20-30个数据计算Cpk。但是，计算Cpk时采用的数据越少，计算结果的置信区间就越宽，因此评价结果的可信程度就越差。

对Cpk而言，不需要在一次采集中就得到要求的数据个数。为了使得数据真实代表工艺状态实际情况，抽样方式应固定，不得掺入人为因素。例如：插针加工工序应确定每个班次的定时定量抽样规定。电镀工序应该每批抽样检测。

因此，为了确保Cpk能如实反映实际的工序能力，需要对工艺参数数采集据量和采集频次提出控制要求。

3） Cpk评价对数据分布类型的要求

如果数据分布类型不同，Cpk的计算公式不同，即计算Cpk所采用的计算方法与数据分布状态密切相关，因此采集数据后应该采用直方图、概率值、分布拟合检验等方法分析数据的分布状态。

查阅资料了解到，部分工艺数据服从正态分布，部分工艺数据服从对数正态分布，两者Cpk计算公式不同。因此，本文针对该项内容提出如下要求，承制单位须采用一定的方式确认其工艺参数服从正态分布。

3.1.2 统计受控状态评价

统计受控状态评价环节，Cpk实施过程所提出的控制要求为承制单位须提供计算Cpk所采用的数据处于SPC受控状态的证据。

只有对稳定受控条件下采集的数据进行的工序能力指数评价结果才能代表实际工艺水平，因此应该采用SPC技术对采集的数据进行分析，确认制造过程处于统计受控状态，再进行工序能力指数评价。

因此，本文针对该项内容提出如下要求，承制单位须保证相应工序处于SPC受控状态。

3.1.3 工序能力指数计算

实际生产中，加工产品的参数往往会围绕某值上下波动，波动范围一般称为公差，对加工结果的要求称为规范要求。根据工艺情况的不同，有两种不同类型的规范要求，分别为双侧规范和单侧规范，单侧规范又分为上侧规范和下侧规范，三者Cpk的计算公式不相同。

双侧规范Cpk计算公式为：

[Cpk=T6σ1-K=（TU-TL）6σ[1-|μ-（TU+TL）/2|（TU-TL）/2]]

上侧规范Cpk计算公式为：

[CPU=TU-μ/3σ]

下侧规范Cpk计算公式为：

[CPL=μ-TL/3σ]

三个公式中，TU和TL分别为工艺参数的上侧规范和下侧规范。

实际加工过程中，部分工艺参数的公差允许范围是双边的，部分工艺参数的公差允许范围是单边的，不同的情况，所选用的Cpk计算公式不同，最后计算出的Cpk值存在差异，因此承制单位在计算Cpk时，应依据实际情况选择相应的公式。因此，本文在工序能力指数计算环节，针对Cpk实施过程所提出的要求为计算Cpk所选用的公式应符合要求。

3.2 协议要求

产品成品率和Cpk相辅相成，共同表征了宇高线的工艺能力。当工艺能力一定时，如果产品成品率要求高，则Cpk值较低，如果产品成品率要求低，则Cpk值较高，因此，在建立Cpk评价体系时，不仅要求考虑协议对Cpk值的要求，还要考虑协议对产品成品率的要求。由于部分用户对电子元器件生产线的Cpk值有要求，因此协议要求方面，Cpk实施过程提出的控制要求为：Cpk值和产品成品率等相关内容应该达到了协议规定的要求。

4 Cpk控制要求

Cpk实施过程控制要求主要从理论和协议等两方面提出了要求，理论方面又细化成了若干个子项控制要求。具体要求如下：

1） Cpk值和产品成品率应该达到了协议规定的要求（如与政府机关、军队机关、用户签订的协议要求）；

2） 所选择的Cpk计算公式应合理，应符合双侧、单侧规范的有关要求；

3） 计算Cpk值产品规范限应固定；

4） 须对测量仪器设备有相关的管理规定，内容应不仅限于：计量校准要求、重复性评价、再现性评价以及精密度评价等；

5） 所采集的数据量须符合要求；

6） 数据采集频次及方式须固定；

7） 须确认工艺参数服从正态分布；

8） 工艺参数须处于SPC受控状态。

5 结束语

本文主要从理论和协议两方面对Cpk的实施过程提出了控制要求，为电子元器件生产线Cpk的实施提供了指导要求。

参考文献：

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