周 帥，呂宏峰，王 斌，黃煜華

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610)

0 引 言

粒子碰撞噪聲試驗(yàn)（PIND）其原理是通過高加速度沖擊激活被測(cè)器件中的多余粒子，使其形成游離狀態(tài)，然后再施加一定頻率和加速度的振動(dòng)，使游離的粒子與器件內(nèi)壁發(fā)生碰撞，經(jīng)由傳感器轉(zhuǎn)換成電壓及聲音信號(hào)輸出，從而判斷多余粒子是否存在[1-3]。

一般情況下，軍用微電子器件按照GJB 548B-2005方法2020進(jìn)行粒子碰撞噪聲試驗(yàn)時(shí)，大多數(shù)類型的微電子器件不需要輔助夾具，利用粘附劑就可以直接安裝在換能器上檢驗(yàn)，為獲得最大的靈敏度，應(yīng)使器件的最薄或厚度均勻的一面（Y1方向）對(duì)著換能器，并將其安裝在換能器的中心位置或軸線上[4-6]。但對(duì)于特殊封裝芯腔面向下的陶瓷針柵陣列封裝（CPGA）微電子器件，由于管腳與芯腔面同向，所以只能按Y2方向進(jìn)行安裝，導(dǎo)致在規(guī)定的頻率下可能不能有效激活器件內(nèi)腔的多余顆粒，尤其是非金屬多余物，經(jīng)常會(huì)發(fā)生試驗(yàn)的漏判或誤判。因此針對(duì)該類器件的封裝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過內(nèi)腔高度與振動(dòng)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究PIND試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)符合要求的輔助夾具，保證器件的芯腔面與換能器緊密相連，對(duì)提高測(cè)試的準(zhǔn)確性具有一定參考意義。

1 CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)現(xiàn)狀分析

CPGA微電子器件采用多層陶瓷工藝制造，通常分為腔體向上和腔體向下兩種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。腔體向上的結(jié)構(gòu)可以提供較大的封裝內(nèi)腔及更多的引線數(shù)；腔體向下的結(jié)構(gòu)可直接在殼體背部熱沉安裝散熱片，提高散熱性能。

圖1 陶瓷針柵陣列微電子器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)典型形貌

腔體向上的CPGA微電子器件可以直接將器件的蓋板（芯腔面Y1方向）與設(shè)備的換能器安裝后進(jìn)行試驗(yàn)，但對(duì)于腔體向下的CPGA微電子器件，引線與芯腔面方向相同，所以只能將器件的基板朝下（芯腔面Y2方向）安裝在換能器上進(jìn)行試驗(yàn)。由于器件的基體底部的熱沉比蓋板厚，自由粒子信號(hào)需通過較厚的底座或基板才能傳遞到換能器，從而導(dǎo)致信號(hào)損失，出現(xiàn)試驗(yàn)誤差。

2 CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)及盲樣制作

2.1 CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)

根據(jù)PIND試驗(yàn)原理及腔體向下的CPGA微電子器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，在短時(shí)間內(nèi)的沖擊及振動(dòng)過程中，試驗(yàn)夾具首先應(yīng)能使器件芯腔面與檢測(cè)設(shè)備換能器的中心位置完全接觸，并且能保證試驗(yàn)應(yīng)力能夠激活器件內(nèi)腔多余物，與器件之間不能發(fā)生共振及松動(dòng)；其次，夾具的質(zhì)量應(yīng)盡量輕，避免超過換能器的負(fù)載（≤300 g）；最后，夾具應(yīng)能夠連接靈敏度檢測(cè)裝置（STU），每次進(jìn)行PIND試驗(yàn)前，能夠檢驗(yàn)PIND 系統(tǒng)性能。根據(jù)設(shè)計(jì)思路建模如圖2所示。

圖2 CPGA微電子器件測(cè)試夾具建模示意圖

本文采用一款外形尺寸為37.80 mm×37.80 mm×4.60 mm、質(zhì)量為13 g的CPGA微電子器件進(jìn)行設(shè)計(jì)夾具，如圖3所示。整個(gè)夾具材料采用7075鋁合金，質(zhì)量為12 g，滿足換能器的載荷要求；STU連接桿的作用是在每次試驗(yàn)前，連接靈敏度裝置（STU）校準(zhǔn)設(shè)備；塑料螺釘用來固定被測(cè)器件，改變傳統(tǒng)的粘接方式（水溶膠及雙面膠帶殘留）；安裝架用來固定被測(cè)器件，保證器件準(zhǔn)確安裝在換能器的傳感器幾何中心2.0 mm范圍內(nèi)，因?yàn)槠x傳感器將降低檢測(cè)效果；連接片起到被測(cè)器件與換能器的連接作用，連接片的大小與被測(cè)器件的蓋板大小保持一致（16.90 mm×16.90 mm），而且厚度也應(yīng)盡量薄，太厚將降低能量傳遞信號(hào)，被測(cè)器件引線高度為1.70 mm，所以連接片厚度設(shè)計(jì)為1.80 mm。整個(gè)夾具的實(shí)物照片如圖4所示。

圖3 典型CPGA微電子器件

圖4 CPGA微電子器件測(cè)試夾具實(shí)物

2.2 CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)盲樣制作

微電子器件多余物的產(chǎn)生來源分為制造過程中產(chǎn)生及外部環(huán)境引入兩個(gè)方面。外部環(huán)境引入的多余物種類繁多，且不具有一定代表性。因此，本文主要以工藝制造過程中可能產(chǎn)生的典型多余物作為盲樣的制作對(duì)象。依據(jù)多年P(guān)IND的多余物識(shí)別案例及在微電子器件制造行業(yè)調(diào)研可知，工藝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多余物，可以分為金屬多余物及非金屬多余物兩大類[7-8]，其中金屬多余物有硅、鍵合絲、導(dǎo)線頭、焊錫渣、金屬屑、殘余工藝線等，非金屬多余物有毛發(fā)、助焊劑、導(dǎo)線護(hù)套、環(huán)氧膠、基板材料、角料等。

為了采用人工引入的方式，在CPGA微電子器件內(nèi)腔分別放入典型金屬多余物及非金屬多余物，驗(yàn)證夾具對(duì)試驗(yàn)結(jié)果是否存在影響。雖然美軍標(biāo)MIL-STD-883描述PIND試驗(yàn)，在20 mV下的最小檢測(cè)閾值為0.03 μg，但在元器件制造行業(yè)內(nèi)卻無法檢測(cè)到這樣的微小粒子，因?yàn)檫@樣的微克級(jí)別多余物在振動(dòng)周期內(nèi)會(huì)附在被測(cè)器件的內(nèi)腔某處停止運(yùn)動(dòng)，即使在掃描電鏡中能夠發(fā)現(xiàn)，但也很難進(jìn)行人工制造。而如果引入較大質(zhì)量的多余物，雖然方便制作，試驗(yàn)時(shí)也更容易檢測(cè)出，但偏離實(shí)際生產(chǎn)制造工藝，對(duì)檢測(cè)指導(dǎo)意義不大。

因此根據(jù)長(zhǎng)期檢測(cè)出多余物的種類及質(zhì)量大小，并結(jié)合目前加工技術(shù)及多余物的放樣方法，分別制作具有代表的多余物盲樣。制成約2 mg的焊錫球（金屬多余物），但對(duì)于非金屬多余物，制作難度比金屬多余物大，為了減少非金屬多余物的靜電吸附及提高制樣成功率，需在水中進(jìn)行顯微切割，制成了直徑為1 mm，長(zhǎng)約1 mm的環(huán)氧樹脂。取樣完畢后，分別放入兩個(gè)器件的內(nèi)腔，再充入保護(hù)氣體后進(jìn)行封蓋，完成盲樣制作。

3 CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)夾具驗(yàn)證

夾具的作用就是將振動(dòng)和沖擊能量通過機(jī)械連接不失真、不放大、1∶1地傳遞給樣品，從而保證試驗(yàn)樣品經(jīng)受到所規(guī)定的應(yīng)力。因此，CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)夾具的驗(yàn)證分為以下步驟：首先驗(yàn)證夾具在PIND試驗(yàn)規(guī)定的振動(dòng)頻率（40~130 Hz）下是否發(fā)生共振；其次驗(yàn)證夾具安裝到振動(dòng)沖擊臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，是否能通過設(shè)備的示波器、閾值顯示器及音頻3個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)；最后驗(yàn)證夾具對(duì)盲樣的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

3.1 PIND試驗(yàn)夾具共振耦合驗(yàn)證

夾具設(shè)計(jì)主要考慮剛度、質(zhì)量和固有頻率3個(gè)基本參數(shù)[7-8]。其中，夾具的一階固有頻率必須高于最高試驗(yàn)頻率，才能避免夾具產(chǎn)生共振耦合，從圖5可知夾具的固有頻率遠(yuǎn)大于試驗(yàn)的最高頻率（150 Hz），并且夾具的材料（7075鋁合金）剛度大、質(zhì)量小，滿足要求。

3.2 PIND試驗(yàn)夾具安裝驗(yàn)證

采用粘接劑把換能器連接片及STU靈敏度裝置安裝在換能器上，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。驗(yàn)證在示波器上是否可以觀察到低平信號(hào)脈沖和檢測(cè)閾值，對(duì)于大于20 mV的脈沖應(yīng)能被檢測(cè)出來，如圖6所示；然后從換能器上取下STU，設(shè)置振動(dòng)及沖擊參數(shù)，觀察示波器顯示的系統(tǒng)噪聲電平信號(hào)30 ~60 s，所示系統(tǒng)噪聲電平為帶狀且不超過20 mV，證明設(shè)備的狀態(tài)均滿足試驗(yàn)要求。

最后把試驗(yàn)夾具安裝在換能器上（見圖7）進(jìn)行測(cè)試，示波器能顯示正常的恒定背景噪聲電平信號(hào)，系統(tǒng)未出現(xiàn)劈啪聲及閾值燈也未亮起，3個(gè)監(jiān)測(cè)結(jié)果與換能器（空測(cè)）一致，由此證明該夾具不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖5 正弦振動(dòng)（40~130 Hz）檢查共振

圖6 STU靈敏度裝置對(duì)連接片及換能器校準(zhǔn)（大于20 mV的脈沖被檢出）

圖7 試驗(yàn)夾具在換能器上測(cè)試

4 CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)方法研究

PIND試驗(yàn)包含沖擊及振動(dòng)兩個(gè)過程，沖擊是對(duì)被試器件施加峰值為1 000g、100 μs的脈沖，用來激活多余粒子，使其形成游離狀態(tài)；振動(dòng)是對(duì)被試器件施加一定頻率及加速度（10g或20g）的正弦運(yùn)動(dòng)，使游離粒子與器件內(nèi)壁發(fā)生碰撞，最后產(chǎn)生電信號(hào)輸出[9-11]。

振動(dòng)將動(dòng)能傳遞給內(nèi)腔中的多余粒子，多余粒子因運(yùn)動(dòng)而獲得動(dòng)能：

式中：Ek——物體動(dòng)能，J；

m——物體質(zhì)量 ，kg；

v——物體運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

由式（1）可知，多余粒子的運(yùn)動(dòng)速度及質(zhì)量將決定動(dòng)能的大小。假設(shè)沒有多余粒子或多余粒子沒有運(yùn)動(dòng)，那么粒子動(dòng)能為0，因此傳感器的電信號(hào)也為0。改變振動(dòng)的幅度或頻率可以改變粒子的動(dòng)能，即影響已知多余粒子電信號(hào)輸出[12-14]。

由圖8可知，在頻率范圍約40 ~150 Hz內(nèi)的電壓輸出幾乎是恒定的，高于此頻率范圍的試驗(yàn)將產(chǎn)生更少的多余粒子碰撞，從而產(chǎn)生更少的電壓輸出。另外，圖9顯示了傳感器的輸出電壓與加速度等級(jí)的關(guān)系，加速度從10g增加到20g時(shí)，可使腔體內(nèi)的多余粒子的輸出電壓增加30%~50%。

圖8 粒子的輸出電壓與頻率的關(guān)系圖

因此，根據(jù)動(dòng)能原理及MIL-STD-883K方法2020.9試驗(yàn)條件A和條件B的要求，在40 ~150 Hz頻率范圍內(nèi)，按下式計(jì)算被測(cè)產(chǎn)品的振動(dòng)頻率：

式中：D——內(nèi)腔平均高度，mm；

a——正弦振動(dòng)加速度，10g或20g；

F——振動(dòng)頻率，Hz。

基于式（2），典型內(nèi)腔高度與頻率值的關(guān)系如表1的一些典型值。

圖9 粒子的輸出電壓與加速度的關(guān)系圖

表1 典型內(nèi)腔高度與頻率值的關(guān)系（條件A）

另外，對(duì)于條件B（振動(dòng)加速度為10g）的最小頻率標(biāo)準(zhǔn)要求為60 Hz，所以代入（2）可知對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品內(nèi)腔平均高度D≥1.381 mm時(shí)，均按最小頻率60 Hz進(jìn)行試驗(yàn)，若內(nèi)腔平均高度D＜1.381 mm時(shí)的頻率典型值可以按表2進(jìn)行選擇。

表2 典型內(nèi)腔高度與頻率值的關(guān)系（條件B）

驗(yàn)證夾具用的陶瓷針柵陣列微電子器件內(nèi)腔平均高度約為1.23 mm，按試驗(yàn)條件A（加速度20g）進(jìn)行試驗(yàn)，代入式（2）可知，振動(dòng)頻率F為90 Hz。然后把內(nèi)腔存在金屬及非金屬多余物的盲樣各1只混入合格批，10只樣品為一組，共進(jìn)行10次試驗(yàn)。10次試驗(yàn)中，金屬多余物盲樣有1次試驗(yàn)沒有檢測(cè)出，因此準(zhǔn)確率為90%；但對(duì)于非金屬多余物盲樣，由于質(zhì)量小且吸附能力強(qiáng)，其中有3次試驗(yàn)沒有檢測(cè)出盲樣，因此準(zhǔn)確率只有70%。另外，由于多余物在試驗(yàn)過程中是處于隨機(jī)游離狀態(tài)，多次試驗(yàn)后可能會(huì)卡在器件內(nèi)腔的某處，對(duì)于非金屬多余物更是如此，從而會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確率降低，所以標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)出多余物后的樣品不能重新試驗(yàn)[15]。因此對(duì)于初始狀態(tài)內(nèi)腔存在多余物的樣品，夾具對(duì)陶瓷針柵陣列微電子器件PIND試驗(yàn)是有效的。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的CPGA微電子器件PIND夾具及試驗(yàn)方法研究，滿足該類器件檢測(cè)內(nèi)腔多余物的試驗(yàn)要求，減少了試驗(yàn)爭(zhēng)議，使檢測(cè)更加規(guī)范。從試驗(yàn)結(jié)果可知，該夾具適用于芯腔向下的CPGA微電子器件PIND試驗(yàn)，同時(shí)也為其他類型封裝器件的PIND試驗(yàn)提供了檢測(cè)思路，有助于為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法的修訂奠定基礎(chǔ)。