王夢輝，劉剛，張鴻儒，瞿志二

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

0 引言

X 光安檢機安全檢查設備由行李輸送部分、X 射線源及控制部分、信號采集處理及傳輸部分、圖像處理部分和電氣控制部分組成[1]。H032A 芯片模塊用在安檢機的信號采集與傳輸部分，將硅片采集到的光信號進行分通道傳輸，當通道正常時，光信號經(jīng)圖像處理整合在安檢機屏幕上成像，當信號通道失效時，會使該通道的光信號傳輸中斷，使其無法進行圖像處理，從而導致安檢機顯示屏出現(xiàn)白條帶和圖片模糊現(xiàn)象。參考測試數(shù)據(jù)，安檢機失效絕大多數(shù)是出現(xiàn)在信號傳輸部分上，因此解決H032A 芯片模塊的失效就是解決安檢機的失效問題。

1 失效分析

研究安檢機的失效原因，首先需要對其進行失效定位，也就是進行大量失效測試，找出普遍的失效類型[2]；然后對失效進行成因分析，提出最終解決方案。

如圖1 所示，使用安檢機公司自主研發(fā)的失效測試軟件Release 可以從模擬成像圖、噪聲值、波段數(shù)三個方面檢測H032A 芯片模塊是否存在光信號通道失效問題[3]，并對192 塊已失效的H032A 芯片模塊進行逐一檢測，測試結果是芯片模塊單/多信號通道失效占大多數(shù)，占失效總數(shù)的98%。

圖1 光通道失效檢測圖

1.1 模擬成像圖

如圖2 所示，模擬成像是Release 測試軟件通過將暗環(huán)境條件下的H032A 芯片模塊光信息整合，進而得出成像結果模擬圖。圖2 中左側(cè)為正常光通道圖，右側(cè)為光通道失效圖。

通過對比可以直觀地看出，在暗環(huán)境條件下失效H032A 芯片模塊的模擬成像圖會出現(xiàn)明顯的白色條帶，原因是光信號無法在失效的光通道中傳輸，從而使測試軟件無法進行模擬，最終形成白色條帶。所以，當暗環(huán)境下H032A 芯片模塊的成像模擬圖出現(xiàn)白色條帶時，可以確定該模塊存在光信號通道失效問題。

圖2 失效模擬成像對比圖

1.2 噪聲值

如圖3 所示，噪聲值是衡量光信號傳輸質(zhì)量的標準，當H032A 芯片模塊信號通道正常工作時，其噪聲值應是一條幅值有較小上下波動的水平線（圖3 上）；當H032A 模塊出現(xiàn)信號通道失效時，大量的雜質(zhì)信息（如電流、聲音等）涌入通道，造成該通道噪聲幅值波動明顯（圖3 下）。大量測試數(shù)據(jù)表明，幅值上下波動在9.0 刻度以下的噪聲不會對安檢機的成像質(zhì)量造成干擾，因此噪聲值在9.0 刻度以內(nèi)都可算作通道正常，當噪聲值高于9.0 刻度時，該通道的噪聲會造成安檢機掃描圖的模糊，因此噪聲值如果超過9.0 刻度就可以認定該通道失效。

圖3 失效噪聲值對比圖

1.3 波段數(shù)

如圖4 所示，波段數(shù)是反應光信息在信號通道傳輸量的計量標準，當信號通道正常時，各個信息通道的波段數(shù)趨于連續(xù)，不會出現(xiàn)過大起伏（圖4 左），當信號通道出現(xiàn)失效時，該通道的波段數(shù)會因光信號傳輸中斷或流入大量雜質(zhì)而呈現(xiàn)出長條狀（圖4 右）。因此，當波段數(shù)出現(xiàn)條狀波形時，可以確定該通道出現(xiàn)失效。

圖4 失效波段對比圖

1.4 失效歸納

使用Release 失效測試軟件對192 塊失效H032A芯片模塊單/多信號通道的原因進行測試與分析，將失效原因歸納為以下三點：

（1）芯片損壞。這種失效產(chǎn)生在安檢機的早夭期；因芯片自身的問題導致失效。

（2）產(chǎn)品斷路/短路。這種失效產(chǎn)生在安檢機的使用期和磨損期。在使用期，該階段的失效率趨于穩(wěn)定并且失效原因隨機，特殊的地區(qū)或環(huán)境使用都可能造成安檢機中H032A 模塊的損壞。在老化期，失效率大幅增加，原因為系統(tǒng)長時間連續(xù)使用造成的芯片模塊老化導致失效。

（3）產(chǎn)品應力。這種失效產(chǎn)生也在安檢機的早夭期，因焊接等原因使產(chǎn)品內(nèi)部出現(xiàn)應力未得到釋放導致失效。

2 失效驗證

H032A 芯片模塊主要由32 個采光硅片、綁線、H032A 芯片組成。至此，失效原因可暫定為芯片損壞、產(chǎn)品斷路/短路、產(chǎn)品應力。為進一步研究失效的產(chǎn)生，需進行失效模擬。

2.1 芯片損壞

為驗證芯片損壞是失效原因這一結論，可采用物理分析的方法。對已失效的H032A 芯片模塊進行XRay 檢測。X-RAY 檢測儀是利用陰極射線管產(chǎn)生高能量電子與金屬靶撞擊，在撞擊過程中，因電子突然減速，其損失的動能會以X-Ray 形式放出，其具有非常短的波長但高電磁輻射線。而對于樣品無法以外觀方式檢測的位置，利用紀錄X-Ray 穿透不同密度物質(zhì)后其光強度的變化，產(chǎn)生的對比效果可形成影像即可顯示出待測物之內(nèi)部結構，進而可在不破壞待測物的情況下觀察待測物內(nèi)部是否存在有問題的區(qū)域。

如圖5 所示，H032A 芯片共有32 個管腳，每個管腳對應一個信息通道，其作用是把各個通道積分進行數(shù)字輸出。如圖6 所示，通過X-RAY 檢測儀可以清楚看到H032A 芯片內(nèi)部連線因氣泡出現(xiàn)斷裂，這就導致芯片的一個通道出現(xiàn)斷路，導致當前信號通道出現(xiàn)失效問題。該情況的出現(xiàn)并不普遍，在本次X-Ray 的實驗過程中，192 塊失效H032A 芯片模塊中僅有一例出現(xiàn)芯片內(nèi)部斷裂問題，由于這種情況并不普遍，并且不可避免且無法挽救，所以針對芯片損壞的失效原因?qū)⒉辉龠M行失效模擬。

圖5 H032A 管腳圖

圖6 X-Ray 檢測圖

2.2 產(chǎn)品斷/短路

為驗證H032A 芯片模塊斷路/短路是失效原因這一結論，通過老化實驗來失效模擬。本次老化實驗采用恒溫恒濕箱來加速產(chǎn)品（合格成品模塊10 塊）存在的缺陷的暴露。給成品施加熱的、電的、機械的或多種綜合的外部應力，模擬嚴酷工作環(huán)境，消除加工應力和殘余溶劑等物質(zhì)，使?jié)摲收咸崆俺霈F(xiàn)，高溫高濕老化后實行電氣參數(shù)測量，篩選剔除無效或變值的元器件，找出失效表現(xiàn)并詳細記錄。具體參照標準和國家環(huán)境試驗方法標準如下：

（1）GB/T 10592：2008《高溫試驗箱技術條件》

（2）GB/T 2423.2：2008《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗規(guī)程試驗Db：高溫試驗方法》

表1 產(chǎn)品老化實驗（編號1011804173）

本次實驗為便于制表，所以將溫度變化作為橫坐標、噪聲幅值波動作為實驗參考縱坐標，當單點噪聲幅值超過9.0 刻度時，可以判定為產(chǎn)品失效，丟包則代表產(chǎn)品工作時的報錯率，當丟包趨于平穩(wěn)時表示產(chǎn)品工作基本正常，丟包率是產(chǎn)品工作狀態(tài)變化的參考，丟包率大幅增加時是產(chǎn)品失效的前兆。通過本次老化實驗可知，在溫度為65℃（濕度45%）和95℃（濕度80%）都出現(xiàn)了產(chǎn)品失效前兆，但只有當溫度95℃（濕度80%）時噪聲幅值波動才高出9.0 刻度，因此，該模塊在65℃（濕度45%）時僅會對工作狀態(tài)產(chǎn)生較小的影響，并不會造成模塊的失效。只有在長時間高溫高濕工作環(huán)境時，產(chǎn)品才會發(fā)生單/多信號通道失效的情況。

為驗證H032A 芯片模塊的失效是由安檢機工作產(chǎn)生的高溫所致，在老化實驗后采取驗證實驗，實驗過程中關閉安檢機裝載的內(nèi)部降溫裝置，使其在高溫的狀態(tài)下工作8 小時，將高溫工作8 小時后H032A 芯片模塊的噪聲值與模擬實驗后的噪聲值進行對比，為了使兩種噪聲曲線更具有對比性，將每個驗證實驗的噪聲值降低兩個刻度，對比圖如圖7 所示。

圖7 高溫工作噪聲與模擬噪聲對比圖

經(jīng)兩種噪聲曲線的對比，可看出在關閉安檢機內(nèi)部降溫措施的情況下，其正常工作產(chǎn)生的高溫是H032A 芯片模塊失效的原因。在驗證實驗一段時間后，再次對失效的H032A 芯片模塊進行測試，發(fā)現(xiàn)并無恢復跡象，電路測試結果為短路，是失效類別中的完全失效。

通過本次老化實驗可以確定，在失效的H032A 芯片模塊中，有一部分是由于安檢機長時間的高溫高濕工作造成的失效，符合之前歸納出失效原因的結論。

2.3 產(chǎn)品應力

通常是指產(chǎn)品在焊接等加工過程中產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生的力。為驗證產(chǎn)品應力是失效原因這一結論，同樣采取物理分析的方法，排除硬件損壞的干擾項，對一批生產(chǎn)中失效的H032A 芯片模塊進行完好性檢測。

首先排除因32 個采光硅片損壞而導致的信號通道失效。每個硅片負責相應通道的光信息采集，當硅片表面出現(xiàn)細小裂痕時，導致該通道沒有光信息被采集，會導致單/多信號通道的失效。因此需要提前用高倍金相顯微鏡對硅片表面進行探傷。

接著排除因綁線斷路而導致的信號通道失效。綁線是硅片與電路的連接，當綁線出現(xiàn)斷裂時會造成斷路，H032A 芯片模塊綁線處用黑膠覆蓋，膠的滑動可能造成綁線處的接觸不良，會導致單/多信號通道的失效。因此也需要用X-Ray 檢測儀對其先行檢測。

最后排除因芯片的焊接造成的信號通道失效。H032A 芯片共32 個引腳，每個引腳對應相應信號通道，當出現(xiàn)虛焊、連焊等問題時，會造成單/多信號通道的失效。同樣需要用X-Ray 檢測儀對其引腳進行檢測。

當失效產(chǎn)品排除上述所有可導致信號通道失效的干擾時，可以認定是應力原因?qū)е庐a(chǎn)品失效。

3 解決方案

對于生產(chǎn)中應力造成的H032A 芯片模塊失效問題，可采用烘烤的方法，從而解放應力。

3.1 烘烤實驗

查閱釋放應力相關文獻，可知產(chǎn)品應力解放溫度應加熱到比產(chǎn)品正常使用溫度高20-35℃度或者比產(chǎn)品的熱變形溫度低25-35℃的溫度下[5]。本次應力解放實驗采取加熱烘烤方案，將烘烤溫度定為產(chǎn)品熱變形溫度低25℃。實驗分為125℃烘烤8 小時的理論組（5塊）和120℃烘烤4 小時測試組（5 塊）。實驗結果如圖8 所示。

本次實驗選取上述應力測試后的H032A 芯片模塊進行實驗，如圖8 左可知在進行烘烤前其24 信號通道噪聲小于0，可以推斷為該通道失效。失效的模塊經(jīng)過兩種烘烤方案后都恢復到了合格標準（圖8 下）。說明模塊內(nèi)部的應力在烘烤的作用下得到了有效釋放。綜合這兩種方案對H032A 模塊的恢復程度相同，根據(jù)所需的恢復時間，最佳的恢復方案為120°烘烤4 小時。

圖8 烘烤結果對比圖

3.2 失效復發(fā)檢測

如圖9 所示，為驗證125℃烘烤8 小時和120℃烘烤4 小時兩種方案從根本上解決了電路應力問題，在烘烤結束后的第10 天再次對已恢復正常的H032A 芯片模塊進行失效復發(fā)檢測，將烘烤完成時數(shù)據(jù)與10 天后該模塊數(shù)據(jù)進行比對。

圖9 烘烤10天后失效復檢對比圖

通過比對可看出，10 天后的模塊的噪聲曲線（圖9上）與烘烤結束時的噪聲曲線（圖9 下）基本一致，因此可以確定，通過烘烤可以解放H032A 芯片模塊產(chǎn)品中存在的應力并且無失效復發(fā)現(xiàn)象，H032A 芯片模塊可用烘烤將應力失效問題根除。

4 結語

本文通過對安檢機的失效分析，鎖定原因主要由失效為H032A 芯片模塊的單/多信號通道失效引起的，通過對H032A 芯片模塊的失效軟件測試、失效模擬、老化實驗等一系列測試，成功建立失效機制，針對生產(chǎn)中應力導致的失效給出了烘烤恢復失效實用方法，并綜合恢復程度、恢復時間，總結出最佳的恢復方案為120°烘烤4 小時。使安檢機中H032A 芯片模塊的失效問題得以解決。