基于H023A 芯片模块的X 射线安检机失效研究

王梦辉，刘刚，张鸿儒，瞿志二

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192）

0 引言

X 光安检机安全检查设备由行李输送部分、X 射线源及控制部分、信号采集处理及传输部分、图像处理部分和电气控制部分组成[1]。H032A 芯片模块用在安检机的信号采集与传输部分，将硅片采集到的光信号进行分通道传输，当通道正常时，光信号经图像处理整合在安检机屏幕上成像，当信号通道失效时，会使该通道的光信号传输中断，使其无法进行图像处理，从而导致安检机显示屏出现白条带和图片模糊现象。参考测试数据，安检机失效绝大多数是出现在信号传输部分上，因此解决H032A 芯片模块的失效就是解决安检机的失效问题。

1 失效分析

研究安检机的失效原因，首先需要对其进行失效定位，也就是进行大量失效测试，找出普遍的失效类型[2]；然后对失效进行成因分析，提出最终解决方案。

如图1 所示，使用安检机公司自主研发的失效测试软件Release 可以从模拟成像图、噪声值、波段数三个方面检测H032A 芯片模块是否存在光信号通道失效问题[3]，并对192 块已失效的H032A 芯片模块进行逐一检测，测试结果是芯片模块单/多信号通道失效占大多数，占失效总数的98%。

图1 光通道失效检测图

1.1 模拟成像图

如图2 所示，模拟成像是Release 测试软件通过将暗环境条件下的H032A 芯片模块光信息整合，进而得出成像结果模拟图。图2 中左侧为正常光通道图，右侧为光通道失效图。

通过对比可以直观地看出，在暗环境条件下失效H032A 芯片模块的模拟成像图会出现明显的白色条带，原因是光信号无法在失效的光通道中传输，从而使测试软件无法进行模拟，最终形成白色条带。所以，当暗环境下H032A 芯片模块的成像模拟图出现白色条带时，可以确定该模块存在光信号通道失效问题。

图2 失效模拟成像对比图

1.2 噪声值

如图3 所示，噪声值是衡量光信号传输质量的标准，当H032A 芯片模块信号通道正常工作时，其噪声值应是一条幅值有较小上下波动的水平线（图3 上）；当H032A 模块出现信号通道失效时，大量的杂质信息（如电流、声音等）涌入通道，造成该通道噪声幅值波动明显（图3 下）。大量测试数据表明，幅值上下波动在9.0 刻度以下的噪声不会对安检机的成像质量造成干扰，因此噪声值在9.0 刻度以内都可算作通道正常，当噪声值高于9.0 刻度时，该通道的噪声会造成安检机扫描图的模糊，因此噪声值如果超过9.0 刻度就可以认定该通道失效。

图3 失效噪声值对比图

1.3 波段数

如图4 所示，波段数是反应光信息在信号通道传输量的计量标准，当信号通道正常时，各个信息通道的波段数趋于连续，不会出现过大起伏（图4 左），当信号通道出现失效时，该通道的波段数会因光信号传输中断或流入大量杂质而呈现出长条状（图4 右）。因此，当波段数出现条状波形时，可以确定该通道出现失效。

图4 失效波段对比图

1.4 失效归纳

使用Release 失效测试软件对192 块失效H032A芯片模块单/多信号通道的原因进行测试与分析，将失效原因归纳为以下三点：

（1）芯片损坏。这种失效产生在安检机的早夭期；因芯片自身的问题导致失效。

（2）产品断路/短路。这种失效产生在安检机的使用期和磨损期。在使用期，该阶段的失效率趋于稳定并且失效原因随机，特殊的地区或环境使用都可能造成安检机中H032A 模块的损坏。在老化期，失效率大幅增加，原因为系统长时间连续使用造成的芯片模块老化导致失效。

（3）产品应力。这种失效产生也在安检机的早夭期，因焊接等原因使产品内部出现应力未得到释放导致失效。

2 失效验证

H032A 芯片模块主要由32 个采光硅片、绑线、H032A 芯片组成。至此，失效原因可暂定为芯片损坏、产品断路/短路、产品应力。为进一步研究失效的产生，需进行失效模拟。

2.1 芯片损坏

为验证芯片损坏是失效原因这一结论，可采用物理分析的方法。对已失效的H032A 芯片模块进行XRay 检测。X-RAY 检测仪是利用阴极射线管产生高能量电子与金属靶撞击，在撞击过程中，因电子突然减速，其损失的动能会以X-Ray 形式放出，其具有非常短的波长但高电磁辐射线。而对于样品无法以外观方式检测的位置，利用纪录X-Ray 穿透不同密度物质后其光强度的变化，产生的对比效果可形成影像即可显示出待测物之内部结构，进而可在不破坏待测物的情况下观察待测物内部是否存在有问题的区域。

如图5 所示，H032A 芯片共有32 个管脚，每个管脚对应一个信息通道，其作用是把各个通道积分进行数字输出。如图6 所示，通过X-RAY 检测仪可以清楚看到H032A 芯片内部连线因气泡出现断裂，这就导致芯片的一个通道出现断路，导致当前信号通道出现失效问题。该情况的出现并不普遍，在本次X-Ray 的实验过程中，192 块失效H032A 芯片模块中仅有一例出现芯片内部断裂问题，由于这种情况并不普遍，并且不可避免且无法挽救，所以针对芯片损坏的失效原因将不再进行失效模拟。

图5 H032A 管脚图

图6 X-Ray 检测图

2.2 产品断/短路

为验证H032A 芯片模块断路/短路是失效原因这一结论，通过老化实验来失效模拟。本次老化实验采用恒温恒湿箱来加速产品（合格成品模块10 块）存在的缺陷的暴露。给成品施加热的、电的、机械的或多种综合的外部应力，模拟严酷工作环境，消除加工应力和残余溶剂等物质，使潜伏故障提前出现，高温高湿老化后实行电气参数测量，筛选剔除无效或变值的元器件，找出失效表现并详细记录。具体参照标准和国家环境试验方法标准如下：

（1）GB/T 10592：2008《高温试验箱技术条件》

（2）GB/T 2423.2：2008《电工电子产品基本环境试验规程试验Db：高温试验方法》

表1 产品老化实验（编号1011804173）

本次实验为便于制表，所以将温度变化作为横坐标、噪声幅值波动作为实验参考纵坐标，当单点噪声幅值超过9.0 刻度时，可以判定为产品失效，丢包则代表产品工作时的报错率，当丢包趋于平稳时表示产品工作基本正常，丢包率是产品工作状态变化的参考，丢包率大幅增加时是产品失效的前兆。通过本次老化实验可知，在温度为65℃（湿度45%）和95℃（湿度80%）都出现了产品失效前兆，但只有当温度95℃（湿度80%）时噪声幅值波动才高出9.0 刻度，因此，该模块在65℃（湿度45%）时仅会对工作状态产生较小的影响，并不会造成模块的失效。只有在长时间高温高湿工作环境时，产品才会发生单/多信号通道失效的情况。

为验证H032A 芯片模块的失效是由安检机工作产生的高温所致，在老化实验后采取验证实验，实验过程中关闭安检机装载的内部降温装置，使其在高温的状态下工作8 小时，将高温工作8 小时后H032A 芯片模块的噪声值与模拟实验后的噪声值进行对比，为了使两种噪声曲线更具有对比性，将每个验证实验的噪声值降低两个刻度，对比图如图7 所示。

图7 高温工作噪声与模拟噪声对比图

经两种噪声曲线的对比，可看出在关闭安检机内部降温措施的情况下，其正常工作产生的高温是H032A 芯片模块失效的原因。在验证实验一段时间后，再次对失效的H032A 芯片模块进行测试，发现并无恢复迹象，电路测试结果为短路，是失效类别中的完全失效。

通过本次老化实验可以确定，在失效的H032A 芯片模块中，有一部分是由于安检机长时间的高温高湿工作造成的失效，符合之前归纳出失效原因的结论。

2.3 产品应力

通常是指产品在焊接等加工过程中产品内部产生的力。为验证产品应力是失效原因这一结论，同样采取物理分析的方法，排除硬件损坏的干扰项，对一批生产中失效的H032A 芯片模块进行完好性检测。

首先排除因32 个采光硅片损坏而导致的信号通道失效。每个硅片负责相应通道的光信息采集，当硅片表面出现细小裂痕时，导致该通道没有光信息被采集，会导致单/多信号通道的失效。因此需要提前用高倍金相显微镜对硅片表面进行探伤。

接着排除因绑线断路而导致的信号通道失效。绑线是硅片与电路的连接，当绑线出现断裂时会造成断路，H032A 芯片模块绑线处用黑胶覆盖，胶的滑动可能造成绑线处的接触不良，会导致单/多信号通道的失效。因此也需要用X-Ray 检测仪对其先行检测。

最后排除因芯片的焊接造成的信号通道失效。H032A 芯片共32 个引脚，每个引脚对应相应信号通道，当出现虚焊、连焊等问题时，会造成单/多信号通道的失效。同样需要用X-Ray 检测仪对其引脚进行检测。

当失效产品排除上述所有可导致信号通道失效的干扰时，可以认定是应力原因导致产品失效。

3 解决方案

对于生产中应力造成的H032A 芯片模块失效问题，可采用烘烤的方法，从而解放应力。

3.1 烘烤实验

查阅释放应力相关文献，可知产品应力解放温度应加热到比产品正常使用温度高20-35℃度或者比产品的热变形温度低25-35℃的温度下[5]。本次应力解放实验采取加热烘烤方案，将烘烤温度定为产品热变形温度低25℃。实验分为125℃烘烤8 小时的理论组（5块）和120℃烘烤4 小时测试组（5 块）。实验结果如图8 所示。

本次实验选取上述应力测试后的H032A 芯片模块进行实验，如图8 左可知在进行烘烤前其24 信号通道噪声小于0，可以推断为该通道失效。失效的模块经过两种烘烤方案后都恢复到了合格标准（图8 下）。说明模块内部的应力在烘烤的作用下得到了有效释放。综合这两种方案对H032A 模块的恢复程度相同，根据所需的恢复时间，最佳的恢复方案为120°烘烤4 小时。

图8 烘烤结果对比图

3.2 失效复发检测

如图9 所示，为验证125℃烘烤8 小时和120℃烘烤4 小时两种方案从根本上解决了电路应力问题，在烘烤结束后的第10 天再次对已恢复正常的H032A 芯片模块进行失效复发检测，将烘烤完成时数据与10 天后该模块数据进行比对。

图9 烘烤10天后失效复检对比图

通过比对可看出，10 天后的模块的噪声曲线（图9上）与烘烤结束时的噪声曲线（图9 下）基本一致，因此可以确定，通过烘烤可以解放H032A 芯片模块产品中存在的应力并且无失效复发现象，H032A 芯片模块可用烘烤将应力失效问题根除。

4 结语

本文通过对安检机的失效分析，锁定原因主要由失效为H032A 芯片模块的单/多信号通道失效引起的，通过对H032A 芯片模块的失效软件测试、失效模拟、老化实验等一系列测试，成功建立失效机制，针对生产中应力导致的失效给出了烘烤恢复失效实用方法，并综合恢复程度、恢复时间，总结出最佳的恢复方案为120°烘烤4 小时。使安检机中H032A 芯片模块的失效问题得以解决。