Von Halbleitern zu den Autos der Zukunft: Die moderne Mobilität mit Daten gestalten

Herausforderung

Neue Halbleiterlösungen entwickeln, testen und herstellen, die eine sich schnell wandelnde Autoindustrie voranbringen

Lösung

Mit innovativen Analysemethoden in JMP Pro Chiptests und Fertigungsprozesse verändern

Ergebnisse

JMP Pro verbessert Lösungsdesign und Fertigung, Six Sigma-Schulung und Prozessoptimierungsmaßnahmen spürbar und hilft NXP so, seine führende Marktposition zu bewahren.

Autos und Lastwagen werden sich in den nächsten zehn Jahren schneller und grundlegender weiterentwickeln als in den vergangenen 100 Jahren. Da die Branche immer alternativer Energiequellen begegnet, die Konnektivitätsoptionen erweitert und auf autonome Fahrzeuge setzt, wird sie vielfältigere und leistungsfähigere Hard- und Software benötigen. Im Mittelpunkt dieser Entwicklungen stehen Computerchips – und NXP Semiconductors.

NXP ist der weltweit führende Anbieter von Konnektivitätslösungen für eingebettete Anwendungen wie vernetzte Fahrzeuge. Das Unternehmen hat seinen Sitz im niederländischen Eindhoven, betreut mit 31.000 Mitarbeitern Kunden in über 30 Ländern und erwirtschaftet einen Jahresumsatz von 9,5 Milliarden US-Dollar. Das Unternehmen konzentriert sich auf die Anwendung von Halbleitern in drei Hauptbereichen: Automobil, Industrie und Internet der Dinge (IoT). NXP beansprucht die Marktposition Nr. 1 bei Automobil-Halbleitern und Mikrocontrollern, Bordvernetzung und -unterhaltung, sicherem Fahrzeugzugang und Fahrzeug-Sicherheitsfunktionen wie Airbags und Radar.

„Elektronik wird in einem Auto immer wichtiger“, sagt Dr. Corinne Bergès, die für die Structured Problem Solving Organization von NXP die Risikobewertung sowie die Statistik- und Sicherheitsanalysen leitet und in Europa, dem Nahen Osten und Afrika Schulungen zu Six Sigma und Root Cause Problem Solving (RCPS) durchführt. „Ein Auto ohne Halbleiter ist heute nicht mehr vorstellbar.“

Um jedoch weiterhin Branchenführer zu bleiben, muss NXP Halbleiterlösungen schneller, effizienter und präziser entwickeln und herstellen als je zuvor. Und um dieses Ziel zu erreichen, muss das Unternehmen seine Herstellungs- und Testprozesse kontinuierlich verbessern.

Datengestützte zentrale Prozesse

Daten sind für die Entwicklung und Fertigung von Halbleitern von zentraler Bedeutung. Bei NXP und seinen Partnern erfolgen der Fertigungszyklus in allen Aspekten sowie die laufende Verbesserung dieses Prozesses datengestützt. Diese Datenfülle bietet Chancen und stellt zugleich vor Herausforderungen. „Je mehr Daten wir haben, umso besser können wir diese Daten korrelieren und umso mehr Informationen können wir aus ihnen extrahieren“, meint Bergès.

Die Herausforderung liegt laut Bergès darin, das Datenvolumen effizient zu verwalten – insbesondere im Zusammenhang mit Tests. Chiphersteller testen ihre Lösungen mit einer Vielzahl von Parametern und Umgebungsbedingungen, die ihnen helfen, die Prozessvariabilität zu kontrollieren und die Grenzwerte zu identifizieren, bei denen ein Gerät ausfallen könnte. Dieser Prozess generiert eine riesige Anzahl von Datenpunkten. „Daten sind wertlos, wenn wir nicht die richtigen Werkzeuge für ihre Verarbeitung haben“, betont Bergès. „Deshalb müssen wir die neuesten und innovativsten Methoden zur Handhabung dieser Daten einsetzen. JMP Pro besitzt diese innovativsten und effektivsten Methoden und das ist sehr wichtig.“

JMP Pro hilft sowohl bei der Datenvisualisierung als auch bei der Datenanalyse. „Produktingenieure verlassen sich auf Datenvisualisierungen“, sagt Bergès, weil ein Bild viel schneller gelesen und verstanden werden kann als einzelne Datenzeilen, wodurch Ingenieure Ausreißer, Korrelationen oder andere Probleme schnell erkennen können. Und die interaktiven Visualisierungsfunktionen in JMP haben ihrer Aussage nach noch viel mehr geleistet: Sie haben Ingenieuren und Bedienern bei NXP dabei geholfen, ihre Fähigkeiten von der univariaten zur multivariaten Analyse zu erweitern.

„In der Vergangenheit haben wir viele Tests durchgeführt, aber jeweils nur einen einzigen Test in Visualisierung und univariater Analyse untersucht“, erklärt Bergès. „Heute ist es nicht mehr möglich, mit nur einem Test zu arbeiten.“ Stattdessen muss das Unternehmen Daten für multivariante Experimente korrelieren. „Diese Art der Analyse erfordert fortgeschrittene Statistiken und Methoden“, sagt sie – Funktionen, die in JMP Pro verfügbar sind.

Darstellung des DMAIC-Prozesses

Bergès sagt, eine der wichtigsten Einsatzmöglichkeiten von JMP Pro sei die Versuchsplanung. In diesem Beispiel verwendet sie die Software zur Feststellung wichtiger Parameter in einem Komponentenmodell zur Ventilsteuerung von NXP sowie zur Visualisierung von Interaktionen zwischen Faktoren. Bergès kann so Ertragsvorhersagen generieren.

Six Sigma-Anwender bei NXP verwenden auch Funktionen der Degradationsanalyse in JMP Pro für die Modellierung von Drift in Ergebnissen von HTOL-(High Temperature Operating Life-)Zuverlässigkeitstests über typische 2.000 Stunden (wie von Automobilstandards gefordert) für eine Vorhersage einer spezifischen Kundenanforderung über 4.000 Stunden.

„In der Vergangenheit führten wir viele Tests durch, aber wir untersuchten jeweils immer nur einen einzelnen Test, sowohl bei der Visualisierung als auch bei univariaten Analysen. Heute kann man nicht mehr mit einzelnen Tests arbeiten“, sagt Bergès. Und genau hier liegt die besondere Stärke von JMP Pro: Es ist unerlässlich für die Modellierung multivariater Versuche.

Den Markt der „Prozessecken“ beherrschen

Während die JMP-Software einem breiten Anwenderkreis die Datenanalyse ermöglicht, bietet JMP Pro darüber hinaus erweiterte Funktionen wie prädiktive Modellierung und Kreuzvalidierung für Wissenschaftler und Ingenieure. NXP nutzt JMP Pro unter anderem zum Studium der Variabilität im Herstellungsprozess von „Corner Lots“ für Automobil-Halbleiter.

Bei der Chipherstellung ist ein „Corner Lot“ eine Versuchsplanungstechnik (DOE), mit der extreme Fertigungsparameter getestet werden. Um die Qualität eines Schaltungsdesigns zu prüfen, fertigen Chiphersteller Eckchargen oder Sätze von Halbleiterscheiben mit extrem eingestellten Prozessparametern. Sie testen aus diesen Wafern hergestellte Geräte unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen wie Spannung und Temperatur, um ihre Betriebsgrenzen zu ermitteln. Wenn NXP einen neuen Halbleiter entwickelt, verwendet es den Corner-Lot-Ansatz, um eine umfassende Analyse der Variabilitäten durchzuführen, die während der Herstellung auftreten können. Dadurch kann das Unternehmen etwaige technische Schwächen im Herstellungsprozess erkennen und beheben.

„Der traditionelle Prozessecken-Ansatz verwendete viele Wafer-Gruppen (bis zu 75 und mehr) mit extremen technischen Parametern für eine Ventilsteuerungskomponente für Fahrzeuge, wobei jeder Parameter einzeln untersucht wurde“, erklärt Bergès. „Eine Einschränkung bestand darin, dass die Interaktionen zwischen Parametern nicht evaluiert wurden. “JMP Pro erlaubt die Untersuchung echter Eckpunkte für einzelne Wafer-Gruppen. NXP kann so die Streuung von Prüfparametern steuern. Seine neuen Statistikmethoden generieren außerdem Modellierungen und Vorhersagen von Erträgen.

Bergès führt in JMP Pro mit der Funktion „Lebensdauer nach X anpassen“ Vergleiche von HPRA-(High Power Reliability Assessment-)Zuverlässigkeitstests bei verschiedenen Temperaturen durch.

Zusätzlich zu diesen HPRA-Tests verwendet NXP allgemeine linearisierte Modelle zur Vorhersage der Ergebnisse von Tests bei niemals zuvor getesteten Temperaturen.

JMP wird als Tool sowohl zur Problemlösung als auch zur Suche nach Korrekturmaßnahmen verwendet. Hierbei wird eine Partitionierungsanalyse verwendet, um die optimale Einstellung der Testhandler zu finden (z. B. Prüfzeit bei Hitze und Raumtemperatur), um das Auftreten von Chipverschlechterung zu minimieren.

Fester Bestandteil der Arbeit von Bergès ist auch die Feldmodellierung zur Beurteilung von Kundenrisiken. Sie verwendet die Plattform „Lebensdauerverteilung“ in JMP Pro für die Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit und führt Mengenschätzungen anhand von Feldergebnissen durch.

Der Weg zu einer fehlerfreien Fertigung

Bergès verfügt über eine Black Belt-Zertifizierung in Six Sigma, dem bekannten Satz von Techniken und Werkzeugen zur Prozessverbesserung und Problemlösung. Six Sigma und RCPS sind für Bergès – die Six Sigma- und RCPS-Schulungen und -Coachings für NXP-Abteilungen und NXP-Lieferanten auf der ganzen Welt anbietet – und für ihr Unternehmen von entscheidender Bedeutung. Etwa 3.300 Mitarbeiter von NXP sind als White, Yellow, Green, Black oder Master Black Belts zertifiziert.

Und bei NXP ist JMP Pro für Six Sigma unverzichtbar. „Im Yellow Belt-Lehrplan gibt es einfache Konzepte wie Verteilungen und Standardabweichungen“, sagt Bergès. „Zwischen der Green Belt- und der Black Belt-Ausbildung gibt es viel über Statistik zu lernen. Und die besten Schulungen, die wir bei NXP haben, werden in JMP Pro durchgeführt.“

NXP verwendet JMP Pro in zahlreichen Six-Sigma-Schulungen zu den Themen Varianzanalyse (ANOVA) und Regression, benutzerdefinierte Versuchsplanung, modernes Screening-Design, Messsystemanalyse, Quellen der Variationsanalyse und Zuverlässigkeit. „Wir haben diese Kurse vor drei Jahren mit JMP entwickelt“, sagt Bergès. „Und dies sind nun die Hauptkurse für die vielen Leute bei NXP, die zum Green Belt und Black Belt aufsteigen.“

Die Six-Sigma-Schulung des Unternehmens umfasst auch einen datengesteuerten Ansatz zur Verbesserung der Prozessqualität namens e-DMAIC (Elimination-Define, Measure, Analyze, Improve, Control). e-DMAIC ist das Herzstück von Six Sigma. „Tatsächlich erfordert die Green Belt-Zertifizierung ein Verbesserungsprojekt mit einem e-DMAIC-Ansatz“, sagt Bergès. „Dieses e-DMAIC-Projekt muss vom Management validiert und mit einer Bewertungskarte versehen werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die erworbenen Kenntnisse auch tatsächlich in der Praxis angewendet werden.“

Während DMAIC ein bekanntes, strukturiertes Rahmenwerk zur Problemlösung ist, bezieht sich der Buchstabe „e“ auf die Beseitigung der Grundursache(n), die zu einer echten Denkweise werden kann. Diese Verbesserung ist das Ergebnis einer gemeinsamen Studie von NXP und Toyota und trägt zu einer weiteren Steigerung der Qualität bei. Qualität ist bei NXP allgegenwärtig und bildet den Kern des „Total Quality“-Konzepts des Unternehmens.

Vorteile für Anwender, Steigerung des wirtschaftlichen Erfolgs

Die Verwendung von JMP Pro durch NXP war eine Weiterentwicklung. „Wir haben Minitab und dann JMP verwendet“, erinnert sich Bergès. „Und die überwiegende Mehrheit der Ingenieure entscheidet sich bei technischen Analysen aufgrund der Kompatibilität und Benutzerfreundlichkeit für JMP. Jetzt glaube ich, dass wir JMP nie aufgeben werden.“ Heute verlassen sich 1.600 Datenexperten des Unternehmens aktiv auf JMP-Lösungen.

Ein Vorteil von JMP Pro bestehe ihrer Meinung nach darin, dass es sowohl von sehr erfahrenen Statistikern als auch von Ingenieuren mit lediglich grundlegender Statistikausbildung effektiv genutzt werden könne. „Um mit Minitab aussagekräftige Analysen erstellen zu können, muss man über gewisse Statistikkenntnisse verfügen“, sagt sie. JMP ist so intuitiv, dass jeder brauchbare Analysen erstellen kann. Ein weiterer klarer Vorteil ist die Effizienz, mit der JMP Pro es NXP ermöglicht, Tests durchzuführen und Prozesse zu optimieren. „Mit ein oder zwei Klicks verfügen wir über die umfassendste und genaueste statistische Analyse, die möglich ist. Für große Datenmengen verwenden wir Python, wenn wir aber das schnellste Ergebnis erzielen möchten, ohne programmieren zu müssen, verwenden wir JMP Pro.“

Die Fähigkeit von NXP, mithilfe von JMP Pro das Design und die Tests von Halbleitern zu optimieren, wird dazu beitragen, dass das Unternehmen seine Spitzenposition auf dem Markt behält. Angesichts der zunehmenden Veränderungen in der Automobilindustrie wird die Fähigkeit von NXP, schnell und zuverlässig neue Lösungen zu entwickeln und herzustellen, zunehmend zu einem Differenzierungsmerkmal. Wir können unsere Aufgaben einfach nicht mehr ohne JMP Pro erledigen.