一種CPGA微電子器件PIND夾具及試驗方法研究

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（PIND）其原理是通過高加速度沖擊激活被測器件中的多余粒子，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，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進行粒子碰撞噪聲試驗時，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，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)常會發(fā)生試驗的漏判或誤判。因此針對該類器件的封裝結(jié)構(gòu)特點，通過內(nèi)腔高度與振動頻率的對應(yīng)關(guān)系，研究PIND試驗方法，設(shè)計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，對提高測試的準確性具有一定參考意義。

1 CPGA微電子器件PIND試驗現(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行試驗，但對于腔體向下的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）安裝在換能器上進行試驗。由于器件的基體底部的熱沉比蓋板厚，自由粒子信號需通過較厚的底座或基板才能傳遞到換能器，從而導(dǎo)致信號損失，出現(xiàn)試驗誤差。

2 CPGA微電子器件PIND試驗夾具設(shè)計及盲樣制作

2.1 CPGA微電子器件PIND試驗夾具設(shè)計

根據(jù)PIND試驗原理及腔體向下的CPGA微電子器件的結(jié)構(gòu)特點可知，在短時間內(nèi)的沖擊及振動過程中，試驗夾具首先應(yīng)能使器件芯腔面與檢測設(shè)備換能器的中心位置完全接觸，并且能保證試驗應(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；其次，夾具的質(zhì)量應(yīng)盡量輕，避免超過換能器的負載（≤300 g）；最后，夾具應(yīng)能夠連接靈敏度檢測裝置（STU），每次進行PIND試驗前，能夠檢驗PIND 系統(tǒng)性能。根據(jù)設(shè)計思路建模如圖2所示。

圖2 CPGA微電子器件測試夾具建模示意圖

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微電子器件進行設(shè)計夾具，如圖3所示。整個夾具材料采用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前，連接靈敏度裝置（STU）校準設(shè)備；塑料螺釘用來固定被測器件，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器件，保證器件準確安裝在換能器的傳感器幾何中心2.0 mm范圍內(nèi)，因為偏離傳感器將降低檢測效果；連接片起到被測器件與換能器的連接作用，連接片的大小與被測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，被測器件引線高度為1.70 mm，所以連接片厚度設(shè)計為1.80 mm。整個夾具的實物照片如圖4所示。

圖3 典型CPGA微電子器件

圖4 CPGA微電子器件測試夾具實物

2.2 CPGA微電子器件PIND試驗盲樣制作

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象。依據(jù)多年P(guān)IND的多余物識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，驗證夾具對試驗結(jié)果是否存在影響。雖然美軍標MIL-STD-883描述PIND試驗，在20 mV下的最小檢測閾值為0.03 μg，但在元器件制造行業(yè)內(nèi)卻無法檢測到這樣的微小粒子，因為這樣的微克級別多余物在振動周期內(nèi)會附在被測器件的內(nèi)腔某處停止運動，即使在掃描電鏡中能夠發(fā)現(xiàn)，但也很難進行人工制造。而如果引入較大質(zhì)量的多余物，雖然方便制作，試驗時也更容易檢測出，但偏離實際生產(chǎn)制造工藝，對檢測指導(dǎo)意義不大。

因此根據(jù)長期檢測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，需在水中進行顯微切割，制成了直徑為1 mm，長約1 mm的環(huán)氧樹脂。取樣完畢后，分別放入兩個器件的內(nèi)腔，再充入保護氣體后進行封蓋，完成盲樣制作。

3 CPGA微電子器件PIND試驗夾具驗證

夾具的作用就是將振動和沖擊能量通過機械連接不失真、不放大、1∶1地傳遞給樣品，從而保證試驗樣品經(jīng)受到所規(guī)定的應(yīng)力。因此，CPGA微電子器件PIND試驗夾具的驗證分為以下步驟：首先驗證夾具在PIND試驗規(guī)定的振動頻率（40~130 Hz）下是否發(fā)生共振；其次驗證夾具安裝到振動沖擊臺上進行試驗時，是否能通過設(shè)備的示波器、閾值顯示器及音頻3個檢測系統(tǒng)；最后驗證夾具對盲樣的檢測準確率。

3.1 PIND試驗夾具共振耦合驗證

夾具設(shè)計主要考慮剛度、質(zhì)量和固有頻率3個基本參數(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大于試驗的最高頻率（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試驗夾具安裝驗證

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，對檢測系統(tǒng)進行校準。驗證在示波器上是否可以觀察到低平信號脈沖和檢測閾值，對于大于20 mV的脈沖應(yīng)能被檢測出來，如圖6所示；然后從換能器上取下STU，設(shè)置振動及沖擊參數(shù)，觀察示波器顯示的系統(tǒng)噪聲電平信號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)均滿足試驗要求。

最后把試驗夾具安裝在換能器上（見圖7）進行測試，示波器能顯示正常的恒定背景噪聲電平信號，系統(tǒng)未出現(xiàn)劈啪聲及閾值燈也未亮起，3個監(jiān)測結(jié)果與換能器（空測）一致，由此證明該夾具不會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖5 正弦振動（40~130 Hz）檢查共振

圖6 STU靈敏度裝置對連接片及換能器校準（大于20 mV的脈沖被檢出）

圖7 試驗夾具在換能器上測試

4 CPGA微電子器件PIND試驗方法研究

PIND試驗包含沖擊及振動兩個過程，沖擊是對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)；振動是對被試器件施加一定頻率及加速度（10g或20g）的正弦運動，使游離粒子與器件內(nèi)壁發(fā)生碰撞，最后產(chǎn)生電信號輸出[9-11]。

振動將動能傳遞給內(nèi)腔中的多余粒子，多余粒子因運動而獲得動能：

式中：Ek——物體動能，J；

m——物體質(zhì)量 ，kg；

v——物體運動速度，m/s。

由式（1）可知，多余粒子的運動速度及質(zhì)量將決定動能的大小。假設(shè)沒有多余粒子或多余粒子沒有運動，那么粒子動能為0，因此傳感器的電信號也為0。改變振動的幅度或頻率可以改變粒子的動能，即影響已知多余粒子電信號輸出[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的關(guān)系，加速度從10g增加到20g時，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)動能原理及MIL-STD-883K方法2020.9試驗條件A和條件B的要求，在40 ~150 Hz頻率范圍內(nèi)，按下式計算被測產(chǎn)品的振動頻率：

式中：D——內(nèi)腔平均高度，mm；

a——正弦振動加速度，10g或20g；

F——振動頻率，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，對于條件B（振動加速度為10g）的最小頻率標準要求為60 Hz，所以代入（2）可知對應(yīng)的產(chǎn)品內(nèi)腔平均高度D≥1.381 mm時，均按最小頻率60 Hz進行試驗，若內(nèi)腔平均高度D＜1.381 mm時的頻率典型值可以按表2進行選擇。

表2 典型內(nèi)腔高度與頻率值的關(guān)系（條件B）

驗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，按試驗條件A（加速度20g）進行試驗，代入式（2）可知，振動頻率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，共進行10次試驗。10次試驗中，金屬多余物盲樣有1次試驗沒有檢測出，因此準確率為90%；但對于非金屬多余物盲樣，由于質(zhì)量小且吸附能力強，其中有3次試驗沒有檢測出盲樣，因此準確率只有70%。另外，由于多余物在試驗過程中是處于隨機游離狀態(tài)，多次試驗后可能會卡在器件內(nèi)腔的某處，對于非金屬多余物更是如此，從而會導(dǎo)致準確率降低，所以標準要求檢測出多余物后的樣品不能重新試驗[15]。因此對于初始狀態(tài)內(nèi)腔存在多余物的樣品，夾具對陶瓷針柵陣列微電子器件PIND試驗是有效的。

5 結(jié)束語

設(shè)計的CPGA微電子器件PIND夾具及試驗方法研究，滿足該類器件檢測內(nèi)腔多余物的試驗要求，減少了試驗爭議，使檢測更加規(guī)范。從試驗結(jié)果可知，該夾具適用于芯腔向下的CPGA微電子器件PIND試驗，同時也為其他類型封裝器件的PIND試驗提供了檢測思路，有助于為相關(guān)標準及試驗方法的修訂奠定基礎(chǔ)。