提高基于專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品可靠性的實(shí)驗(yàn)研究

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(duì)專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2進(jìn)行預(yù)失效驗(yàn)證，獲得專(zhuān)用芯片良品率范圍表；進(jìn)而通過(guò)芯片封裝技術(shù)及光電探測(cè)器組裝技術(shù)并結(jié)合制程工序的檢測(cè)測(cè)量，監(jiān)測(cè)可能對(duì)專(zhuān)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(zhuān)用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品的可靠性。

HIGS-X32A2專(zhuān)用芯片；制程工藝；光電探測(cè)器

0 引言

在芯片制造行業(yè)，評(píng)價(jià)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(jìn)更多晶體管，并且運(yùn)算性能更高、耗電量更小。例如，5nm工藝比7nm先進(jìn)，7nm比10nm先進(jìn)。大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：?jiǎn)挝幻娣e上晶體管數(shù)量，每?jī)赡辏ㄒ灿?8個(gè)月的說(shuō)法）增加一倍。

目前全球頂尖的芯片制造商有：美國(guó)的高通、中國(guó)臺(tái)灣的聯(lián)發(fā)科、中國(guó)的華為海思、美國(guó)的蘋(píng)果等，它是衡量一個(gè)國(guó)家高端制造能力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志之一。如同當(dāng)前手機(jī)市場(chǎng)上，華為手機(jī)與蘋(píng)果手機(jī)之間的銷(xiāo)售競(jìng)爭(zhēng)；已不僅僅局限于公司利益之爭(zhēng)，更是其背后國(guó)家科技實(shí)力的較量，華為手機(jī)中的麒麟990 5G芯片為業(yè)界最先進(jìn)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(píng)果手機(jī)中的高通驍龍865芯片。這也是美國(guó)舉一國(guó)之力封殺中國(guó)華為的真正原因[1]。

1 專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2失效預(yù)驗(yàn)證

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

圖1 Release軟件檢測(cè)界面示意圖

Release芯片測(cè)試軟件檢測(cè)界面如圖1所示，主要通過(guò)三個(gè)方面電特性測(cè)試來(lái)檢測(cè)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(chēng)之本底值）。

首先，灰度成像圖主要針對(duì)專(zhuān)用芯片的管腳是否有問(wèn)題，若芯片管腳出現(xiàn)問(wèn)題灰度圖就會(huì)顯示出純黑色條狀圖形，說(shuō)明芯片的某一管腳已失效。

其次，噪聲值主要針對(duì)專(zhuān)用芯片每一管腳的噪聲值進(jìn)行測(cè)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(duì)每一批次的芯片都會(huì)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(chēng)得上是合格的芯片。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，芯片的噪聲值是在5.0-8.5db，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(huì)有些浮動(dòng)，很多時(shí)候考慮到芯片的制作成本，都會(huì)超出這個(gè)理論范圍，這些芯片雖然不嚴(yán)格符合標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際效果是可以接受的。

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

經(jīng)過(guò)Release測(cè)試軟件失效預(yù)驗(yàn)證后，合格的HIGS-H32A2專(zhuān)用芯片，才能通過(guò)回流焊焊接到圖2所示的PCB板成品上。

2 基于專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2成品的檢測(cè)

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

圖2 HIGS-X32A專(zhuān)用芯片模塊實(shí)物圖

2.1 專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2的封裝工藝

檢測(cè)基于專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品并進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)研究，首先要了解專(zhuān)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(hù)芯片，還可以增強(qiáng)芯片的導(dǎo)熱性能。其中，芯片上的接點(diǎn)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳通過(guò)PCB板上的導(dǎo)線(xiàn)與其他器件相連接[3]。

如圖3所示為專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2的框架模板圖，其中從左上角逆時(shí)針?lè)较蚩捎^(guān)察得為64引腳。每個(gè)芯片其外部的封裝都會(huì)有一個(gè)開(kāi)口（開(kāi)槽），作為焊接的對(duì)位（方向）的確定點(diǎn)。在對(duì)應(yīng)的PCB板上也會(huì)有絲印的對(duì)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(zhuān)用芯片框架模板圖

如圖4所示為HIGS-X32A2芯片外型設(shè)計(jì)圖。其中包括了俯視圖、引腳細(xì)節(jié)圖等視圖，以及對(duì)應(yīng)尺寸。（由于該圖片屬于商業(yè)機(jī)密，所以具體尺寸并未公開(kāi)。）

圖4 HIGS-X32A專(zhuān)用芯片外型設(shè)計(jì)圖

該專(zhuān)用芯片的封裝方式為QFP封裝。方形封裝的主要優(yōu)點(diǎn)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(guò)PLCC的兩倍。

如圖5所示為通過(guò)綁線(xiàn)設(shè)備綁線(xiàn)后的裸芯片圖。其中的鍵合線(xiàn)就相當(dāng)于是綁定晶元與外部管腳的橋梁。通過(guò)該圖片可以與化學(xué)開(kāi)封過(guò)后的芯片進(jìn)行對(duì)比，觀(guān)察芯片內(nèi)部是否出現(xiàn)問(wèn)題。

圖5 綁線(xiàn)后的裸芯片（未封裝狀態(tài)）

2.2 光電探測(cè)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(lán)色的，很脆，是典型的半導(dǎo)體。將硅片加工成晶圓后，可以實(shí)現(xiàn)許多功能。若切割成如圖7所示的PD陣列，就可以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，即接收并傳送光電流信號(hào)，通過(guò)接收不同大小的光電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)硅片轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2處理轉(zhuǎn)換成后續(xù)電路所需電信號(hào)。

圖7 PD陣列示意圖

不同位置的PD質(zhì)量差異較大，通過(guò)量產(chǎn)前的成百上千次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及對(duì)產(chǎn)品實(shí)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(huì)有些問(wèn)題。例如①②③位置處的PD就存在PD上的某一連接點(diǎn)出現(xiàn)了斷點(diǎn)問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。④⑤⑥⑦⑧位置處的PD存在信號(hào)接收不穩(wěn)定的問(wèn)題，即當(dāng)輸入的光強(qiáng)一定時(shí)，接收到的光強(qiáng)信號(hào)會(huì)處于不斷波動(dòng)的狀態(tài)，這會(huì)影響最終的成像質(zhì)量，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為確保光電探測(cè)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(hào)接收裝置。

圖8 PD選取區(qū)域圖

3 專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2測(cè)試實(shí)驗(yàn)與成品檢測(cè)

3.1 Release軟件測(cè)試實(shí)驗(yàn)

如圖9所示，為專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2實(shí)際測(cè)試硬件電路接線(xiàn)圖。測(cè)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(zhuān)用芯片HIGS-X32A2，并通過(guò)局域網(wǎng)與計(jì)算機(jī)設(shè)備相連，在Release軟件上可實(shí)時(shí)查看專(zhuān)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(cè)試硬件電路接線(xiàn)圖

為了總結(jié)出專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2良品率范圍表，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；下面僅以專(zhuān)用芯片噪聲值測(cè)量實(shí)驗(yàn)為例：

實(shí)驗(yàn)方法：每次選取兩塊專(zhuān)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(xiàn)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(jìn)行了五組測(cè)試，同時(shí)計(jì)算出了五組的平均值。

表1 專(zhuān)用芯片HIGS-X32A噪聲值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

同理，通過(guò)比對(duì)已知性能好壞芯片的灰度成像圖實(shí)驗(yàn)、像素均值（本底值）實(shí)驗(yàn)，最終得出專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2良品率范圍表，見(jiàn)表2；為今后測(cè)試性能未知專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2奠定了基礎(chǔ)。

表2 專(zhuān)用芯片HIGS-X32A良品率表

3.2 基于專(zhuān)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(guò)回流焊（HIGS-X32A2芯片+PCB板），激光清洗，晶圓的擴(kuò)片，晶圓的取片，粘貼PD，晶圓的綁線(xiàn)等一系列工藝流程，才能進(jìn)入最終成品檢測(cè)工序。成品檢測(cè)的工序如下：

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

（2）打開(kāi)屏蔽箱蓋，電路板的金手指對(duì)準(zhǔn)觸點(diǎn)卡夾，插入卡夾，關(guān)閉箱蓋，點(diǎn)擊SCAN。此時(shí)，屏幕顯示電路的噪聲值，PD本底值，灰度圖像；

（3）經(jīng)測(cè)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(wú)明顯黑色條帶和白色條帶）；

（4）打開(kāi)屏蔽箱蓋，光線(xiàn)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(shí)測(cè)試合格，可直接拔下取出成品板；

（6）若測(cè)試PD處于不合格狀態(tài)，則根據(jù)測(cè)試結(jié)果圖找到失效點(diǎn)，從而進(jìn)一步找到專(zhuān)用芯片失效原因；

（7）只有檢測(cè)合格的成品板才能被安裝到安檢機(jī)內(nèi)，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

4 結(jié)語(yǔ)

基于專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品在實(shí)際制作的全部過(guò)程中，每一道工序，每一個(gè)環(huán)節(jié)，都有可能導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生失效。提高基于專(zhuān)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(guò)X射線(xiàn)探測(cè)儀對(duì)專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的方法，以及借助恒溫恒濕箱對(duì)基于專(zhuān)用芯片HIGSX32A2產(chǎn)品進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)等方法；從而進(jìn)一步提高基于專(zhuān)用芯片HIGS-X32A2產(chǎn)品的可靠性。