劉剛，馬牧燕，仵思笛，張藝偉

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192）

借助自主研發(fā)的Release仿真軟件，對專用芯片HIGS-X32A2進行預(yù)失效驗證，獲得專用芯片良品率范圍表；進而通過芯片封裝技術(shù)及光電探測器組裝技術(shù)并結(jié)合制程工序的檢測測量，監(jiān)測可能對專用芯片產(chǎn)品性能產(chǎn)生影響的各種因素；從而提高基于專用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品的可靠性。

HIGS-X32A2專用芯片；制程工藝；光電探測器

0 引言

在芯片制造行業(yè)，評價其水平高低的主要標(biāo)準(zhǔn)，是其制程工藝，通常以“Xnm”的形式表示。制程工藝數(shù)字越小，意味著能在更小體積的芯片中塞進更多晶體管，并且運算性能更高、耗電量更小。例如，5nm工藝比7nm先進，7nm比10nm先進。大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：單位面積上晶體管數(shù)量，每兩年（也有18個月的說法）增加一倍。

目前全球頂尖的芯片制造商有：美國的高通、中國臺灣的聯(lián)發(fā)科、中國的華為海思、美國的蘋果等，它是衡量一個國家高端制造能力和綜合國力的重要標(biāo)志之一。如同當(dāng)前手機市場上，華為手機與蘋果手機之間的銷售競爭；已不僅僅局限于公司利益之爭，更是其背后國家科技實力的較量，華為手機中的麒麟990 5G芯片為業(yè)界最先進的7nm Plus EUV工藝制程，在一顆指甲大小的芯片上集成了103億晶體管，是目前晶體管數(shù)最多、功能最完整、復(fù)雜度最高的5G片上系統(tǒng)。在制程工藝、GPU、AI性能等多方面優(yōu)于蘋果手機中的高通驍龍865芯片。這也是美國舉一國之力封殺中國華為的真正原因[1]。

1 專用芯片HIGS-X32A2失效預(yù)驗證

芯片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經(jīng)過設(shè)計、制造、封裝、測試后的結(jié)果，通常是一個能立即使用的獨立的整體[2]。為了檢測芯片是否失效，采用HIGSOE公司自主研發(fā)的Release測試軟件作為主要檢測手段。

圖1 Release軟件檢測界面示意圖

Release芯片測試軟件檢測界面如圖1所示，主要通過三個方面電特性測試來檢測芯片的功能情況，即：①灰度成像圖、②噪聲值、③像素均值（企業(yè)稱之本底值）。

首先，灰度成像圖主要針對專用芯片的管腳是否有問題，若芯片管腳出現(xiàn)問題灰度圖就會顯示出純黑色條狀圖形，說明芯片的某一管腳已失效。

其次，噪聲值主要針對專用芯片每一管腳的噪聲值進行測量，由于每一批芯片的質(zhì)量以及良品率都不相同，所以針對每一批次的芯片都會有合適的噪聲值范圍區(qū)間，只有符合這一規(guī)定區(qū)間的噪聲值的芯片才能稱得上是合格的芯片。嚴格來說，芯片的噪聲值是在5.0-8.5db，但在實際應(yīng)用過程中，由于每一塊芯片自身的差異，所以噪聲值的大小上下會有些浮動，很多時候考慮到芯片的制作成本，都會超出這個理論范圍，這些芯片雖然不嚴格符合標(biāo)準(zhǔn)，但實際效果是可以接受的。

第三，像素均值（本底值）主要針對專用芯片本身的數(shù)值。每種芯片的本底值不同，HIGS-H32A2專用芯片的本底值范圍在1500-6500，如果芯片的實際本底值符合理論值范圍，則在區(qū)域中顯示的曲線應(yīng)該完全呈現(xiàn)出來，不會出現(xiàn)超出區(qū)域邊緣而發(fā)生斷點的現(xiàn)象。

經(jīng)過Release測試軟件失效預(yù)驗證后，合格的HIGS-H32A2專用芯片，才能通過回流焊焊接到圖2所示的PCB板成品上。

2 基于專用芯片HIGS-X32A2成品的檢測

如圖2所示，為XX型安檢機中用到的基于HIGS-X32A專用芯片模塊產(chǎn)品實物圖，它主要包括64像素硅光電探測器陣列、64像素碘化色高能閃爍體陣列和兩塊專用芯片HIGS-X32A。

圖2 HIGS-X32A專用芯片模塊實物圖

2.1 專用芯片HIGS-X32A2的封裝工藝

檢測基于專用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品并進行可靠性實驗研究，首先要了解專用芯片HIGS-X32A2的封裝工藝。

芯片封裝技術(shù)即為安裝芯片外殼的技術(shù)。該技術(shù)不僅可以安放、固定、密封、保護芯片，還可以增強芯片的導(dǎo)熱性能。其中，芯片上的接點通過導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳通過PCB板上的導(dǎo)線與其他器件相連接[3]。

如圖3所示為專用芯片HIGS-X32A2的框架模板圖，其中從左上角逆時針方向可觀察得為64引腳。每個芯片其外部的封裝都會有一個開口（開槽），作為焊接的對位（方向）的確定點。在對應(yīng)的PCB板上也會有絲印的對位圓圈。圖中的6334[210]為內(nèi)部芯片的尺寸，單位為微米（英制單位）。

圖3 HIGS-X32A2專用芯片框架模板圖

如圖4所示為HIGS-X32A2芯片外型設(shè)計圖。其中包括了俯視圖、引腳細節(jié)圖等視圖，以及對應(yīng)尺寸。（由于該圖片屬于商業(yè)機密，所以具體尺寸并未公開。）

圖4 HIGS-X32A專用芯片外型設(shè)計圖

該專用芯片的封裝方式為QFP封裝。方形封裝的主要優(yōu)點在于它能使封裝具有高密度。例如，引腳中心距同樣是0.6mm的方形封裝和PLCC封裝相比，方形封裝器件內(nèi)部的互連數(shù)超過PLCC的兩倍。

如圖5所示為通過綁線設(shè)備綁線后的裸芯片圖。其中的鍵合線就相當(dāng)于是綁定晶元與外部管腳的橋梁。通過該圖片可以與化學(xué)開封過后的芯片進行對比，觀察芯片內(nèi)部是否出現(xiàn)問題。

圖5 綁線后的裸芯片（未封裝狀態(tài)）

2.2 光電探測器PD（Photoelectric Detector）陣列

PD就是晶圓的一部分，晶圓如圖6所示，普通的晶圓與PD的關(guān)系為：1晶圓=70PD。

圖6 晶圓示意圖

硅片是芯片的最基本組成，結(jié)晶型的硅片是暗黑藍色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體。將硅片加工成晶圓后，可以實現(xiàn)許多功能。若切割成如圖7所示的PD陣列，就可以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，即接收并傳送光電流信號，通過接收不同大小的光電流信號，經(jīng)過硅片轉(zhuǎn)換成電壓信號，再通過專用芯片HIGS-X32A2處理轉(zhuǎn)換成后續(xù)電路所需電信號。

圖7 PD陣列示意圖

不同位置的PD質(zhì)量差異較大，通過量產(chǎn)前的成百上千次實驗驗證以及對產(chǎn)品實際應(yīng)用中使用效果的分析研究得出結(jié)論；如圖8所示的綠色區(qū)域內(nèi)的PD質(zhì)量是最好的[4]。其他位置的PD由于比較貼近邊緣，所以多少會有些問題。例如①②③位置處的PD就存在PD上的某一連接點出現(xiàn)了斷點問題，無法進行光電轉(zhuǎn)換。④⑤⑥⑦⑧位置處的PD存在信號接收不穩(wěn)定的問題，即當(dāng)輸入的光強一定時，接收到的光強信號會處于不斷波動的狀態(tài)，這會影響最終的成像質(zhì)量，所以在實際生產(chǎn)過程中，為確保光電探測器的可靠性，只選取晶圓中間綠色區(qū)域的24塊PD作為光信號接收裝置。

圖8 PD選取區(qū)域圖

3 專用芯片HIGS-X32A2測試實驗與成品檢測

3.1 Release軟件測試實驗

如圖9所示，為專用芯片HIGS-X32A2實際測試硬件電路接線圖。測試環(huán)境為全封閉的靜電屏蔽箱，箱體內(nèi)部有主控板，需直流12V供電，主控板可連接專用芯片HIGS-X32A2，并通過局域網(wǎng)與計算機設(shè)備相連，在Release軟件上可實時查看專用芯片的各種參數(shù)，如芯片的灰度成像圖、噪聲值以及像素均值（本底值）等[5]。

圖9 測試硬件電路接線圖

為了總結(jié)出專用芯片HIGS-X32A2良品率范圍表，進行了一系列實驗驗證；下面僅以專用芯片噪聲值測量實驗為例：

實驗方法：每次選取兩塊專用芯片作為一組，一塊為合格芯片，另一塊為不合格芯片；用Release軟件獲得其各自的噪聲值曲線圖，讀取出最高噪聲值和最低噪聲值，將數(shù)據(jù)填入表1；一共進行了五組測試，同時計算出了五組的平均值。

表1 專用芯片HIGS-X32A噪聲值實測數(shù)據(jù)

同理，通過比對已知性能好壞芯片的灰度成像圖實驗、像素均值（本底值）實驗，最終得出專用芯片HIGS-X32A2良品率范圍表，見表2；為今后測試性能未知專用芯片HIGS-X32A2奠定了基礎(chǔ)。

表2 專用芯片HIGS-X32A良品率表

3.2 基于專用芯片HIGS-X32A2成品終檢

篩選出可靠的PD和良品的HIGS-X32A2芯片后，還需經(jīng)過回流焊（HIGS-X32A2芯片+PCB板），激光清洗，晶圓的擴片，晶圓的取片，粘貼PD，晶圓的綁線等一系列工藝流程，才能進入最終成品檢測工序。成品檢測的工序如下：

（1）檢查PD的綁線（鋁絲）是否有變形/被壓扁的現(xiàn)象，編號/位置標(biāo)號是否清晰，金手指（焊盤）是否有臟污，若有異常，就不能執(zhí)行下一部操作；

（2）打開屏蔽箱蓋，電路板的金手指對準(zhǔn)觸點卡夾，插入卡夾，關(guān)閉箱蓋，點擊SCAN。此時，屏幕顯示電路的噪聲值，PD本底值，灰度圖像；

（3）經(jīng)測得正常電路噪聲值：大于5 db且小于10 db；正常本底值：大于1500值且小于6000值；正常像素圖像：灰度圖像均勻（無明顯黑色條帶和白色條帶）；

（4）打開屏蔽箱蓋，光線照射到PD，電路噪聲值上升（高于正常值），本底值趨于飽和值約65000值，圖像是白色圖像；

（5）若此時測試合格，可直接拔下取出成品板；

（6）若測試PD處于不合格狀態(tài)，則根據(jù)測試結(jié)果圖找到失效點，從而進一步找到專用芯片失效原因；

（7）只有檢測合格的成品板才能被安裝到安檢機內(nèi)，進行聯(lián)機調(diào)試。

4 結(jié)語

基于專用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品在實際制作的全部過程中，每一道工序，每一個環(huán)節(jié)，都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生失效。提高基于專用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品的可靠性，并非局限于文中敘述的方法；還可通過X射線探測儀對專用芯片HIGS-X32A2進行無損檢測的方法，以及借助恒溫恒濕箱對基于專用芯片HIGSX32A2產(chǎn)品進行老化實驗等方法；從而進一步提高基于專用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品的可靠性。