一种CPGA微电子器件PIND夹具及试验方法研究

2020-01-09吕宏峰黄煜华

中国测试 2019年12期

周帅，吕宏峰，王斌，黄煜华

(工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 510610)

0 引言

粒子碰撞噪声试验（PIND）其原理是通过高加速度冲击激活被测器件中的多余粒子，使其形成游离状态，然后再施加一定频率和加速度的振动，使游离的粒子与器件内壁发生碰撞，经由传感器转换成电压及声音信号输出，从而判断多余粒子是否存在[1-3]。

一般情况下，军用微电子器件按照GJB 548B-2005方法2020进行粒子碰撞噪声试验时，大多数类型的微电子器件不需要辅助夹具，利用粘附剂就可以直接安装在换能器上检验，为获得最大的灵敏度，应使器件的最薄或厚度均匀的一面（Y1方向）对着换能器，并将其安装在换能器的中心位置或轴线上[4-6]。但对于特殊封装芯腔面向下的陶瓷针栅阵列封装（CPGA）微电子器件，由于管脚与芯腔面同向，所以只能按Y2方向进行安装，导致在规定的频率下可能不能有效激活器件内腔的多余颗粒，尤其是非金属多余物，经常会发生试验的漏判或误判。因此针对该类器件的封装结构特点，通过内腔高度与振动频率的对应关系，研究PIND试验方法，设计符合要求的辅助夹具，保证器件的芯腔面与换能器紧密相连，对提高测试的准确性具有一定参考意义。

1 CPGA微电子器件PIND试验现状分析

CPGA微电子器件采用多层陶瓷工艺制造，通常分为腔体向上和腔体向下两种结构，如图1所示。腔体向上的结构可以提供较大的封装内腔及更多的引线数；腔体向下的结构可直接在壳体背部热沉安装散热片，提高散热性能。

图1 陶瓷针栅阵列微电子器件内部结构典型形貌

腔体向上的CPGA微电子器件可以直接将器件的盖板（芯腔面Y1方向）与设备的换能器安装后进行试验，但对于腔体向下的CPGA微电子器件，引线与芯腔面方向相同，所以只能将器件的基板朝下（芯腔面Y2方向）安装在换能器上进行试验。由于器件的基体底部的热沉比盖板厚，自由粒子信号需通过较厚的底座或基板才能传递到换能器，从而导致信号损失，出现试验误差。

2 CPGA微电子器件PIND试验夹具设计及盲样制作

2.1 CPGA微电子器件PIND试验夹具设计

根据PIND试验原理及腔体向下的CPGA微电子器件的结构特点可知，在短时间内的冲击及振动过程中，试验夹具首先应能使器件芯腔面与检测设备换能器的中心位置完全接触，并且能保证试验应力能够激活器件内腔多余物，与器件之间不能发生共振及松动；其次，夹具的质量应尽量轻，避免超过换能器的负载（≤300 g）；最后，夹具应能够连接灵敏度检测装置（STU），每次进行PIND试验前，能够检验PIND 系统性能。根据设计思路建模如图2所示。

图2 CPGA微电子器件测试夹具建模示意图

本文采用一款外形尺寸为37.80 mm×37.80 mm×4.60 mm、质量为13 g的CPGA微电子器件进行设计夹具，如图3所示。整个夹具材料采用7075铝合金，质量为12 g，满足换能器的载荷要求；STU连接杆的作用是在每次试验前，连接灵敏度装置（STU）校准设备；塑料螺钉用来固定被测器件，改变传统的粘接方式（水溶胶及双面胶带残留）；安装架用来固定被测器件，保证器件准确安装在换能器的传感器几何中心2.0 mm范围内，因为偏离传感器将降低检测效果；连接片起到被测器件与换能器的连接作用，连接片的大小与被测器件的盖板大小保持一致（16.90 mm×16.90 mm），而且厚度也应尽量薄，太厚将降低能量传递信号，被测器件引线高度为1.70 mm，所以连接片厚度设计为1.80 mm。整个夹具的实物照片如图4所示。

图3 典型CPGA微电子器件

图4 CPGA微电子器件测试夹具实物

2.2 CPGA微电子器件PIND试验盲样制作

微电子器件多余物的产生来源分为制造过程中产生及外部环境引入两个方面。外部环境引入的多余物种类繁多，且不具有一定代表性。因此，本文主要以工艺制造过程中可能产生的典型多余物作为盲样的制作对象。依据多年PIND的多余物识别案例及在微电子器件制造行业调研可知，工艺生产过程中产生的多余物，可以分为金属多余物及非金属多余物两大类[7-8]，其中金属多余物有硅、键合丝、导线头、焊锡渣、金属屑、残余工艺线等，非金属多余物有毛发、助焊剂、导线护套、环氧胶、基板材料、角料等。

为了采用人工引入的方式，在CPGA微电子器件内腔分别放入典型金属多余物及非金属多余物，验证夹具对试验结果是否存在影响。虽然美军标MIL-STD-883描述PIND试验，在20 mV下的最小检测阈值为0.03 μg，但在元器件制造行业内却无法检测到这样的微小粒子，因为这样的微克级别多余物在振动周期内会附在被测器件的内腔某处停止运动，即使在扫描电镜中能够发现，但也很难进行人工制造。而如果引入较大质量的多余物，虽然方便制作，试验时也更容易检测出，但偏离实际生产制造工艺，对检测指导意义不大。

因此根据长期检测出多余物的种类及质量大小，并结合目前加工技术及多余物的放样方法，分别制作具有代表的多余物盲样。制成约2 mg的焊锡球（金属多余物），但对于非金属多余物，制作难度比金属多余物大，为了减少非金属多余物的静电吸附及提高制样成功率，需在水中进行显微切割，制成了直径为1 mm，长约1 mm的环氧树脂。取样完毕后，分别放入两个器件的内腔，再充入保护气体后进行封盖，完成盲样制作。

3 CPGA微电子器件PIND试验夹具验证

夹具的作用就是将振动和冲击能量通过机械连接不失真、不放大、1∶1地传递给样品，从而保证试验样品经受到所规定的应力。因此，CPGA微电子器件PIND试验夹具的验证分为以下步骤：首先验证夹具在PIND试验规定的振动频率（40~130 Hz）下是否发生共振；其次验证夹具安装到振动冲击台上进行试验时，是否能通过设备的示波器、阈值显示器及音频3个检测系统；最后验证夹具对盲样的检测准确率。

3.1 PIND试验夹具共振耦合验证

夹具设计主要考虑刚度、质量和固有频率3个基本参数[7-8]。其中，夹具的一阶固有频率必须高于最高试验频率，才能避免夹具产生共振耦合，从图5可知夹具的固有频率远大于试验的最高频率（150 Hz），并且夹具的材料（7075铝合金）刚度大、质量小，满足要求。

3.2 PIND试验夹具安装验证

采用粘接剂把换能器连接片及STU灵敏度装置安装在换能器上，对检测系统进行校准。验证在示波器上是否可以观察到低平信号脉冲和检测阈值，对于大于20 mV的脉冲应能被检测出来，如图6所示；然后从换能器上取下STU，设置振动及冲击参数，观察示波器显示的系统噪声电平信号30 ~60 s，所示系统噪声电平为带状且不超过20 mV，证明设备的状态均满足试验要求。

最后把试验夹具安装在换能器上（见图7）进行测试，示波器能显示正常的恒定背景噪声电平信号，系统未出现劈啪声及阈值灯也未亮起，3个监测结果与换能器（空测）一致，由此证明该夹具不会对试验结果产生影响。

图5 正弦振动（40~130 Hz）检查共振

图6 STU灵敏度装置对连接片及换能器校准（大于20 mV的脉冲被检出）

图7 试验夹具在换能器上测试

4 CPGA微电子器件PIND试验方法研究

PIND试验包含冲击及振动两个过程，冲击是对被试器件施加峰值为1 000g、100 μs的脉冲，用来激活多余粒子，使其形成游离状态；振动是对被试器件施加一定频率及加速度（10g或20g）的正弦运动，使游离粒子与器件内壁发生碰撞，最后产生电信号输出[9-11]。

振动将动能传递给内腔中的多余粒子，多余粒子因运动而获得动能：

式中：Ek——物体动能，J；

m——物体质量，kg；

v——物体运动速度，m/s。

由式（1）可知，多余粒子的运动速度及质量将决定动能的大小。假设没有多余粒子或多余粒子没有运动，那么粒子动能为0，因此传感器的电信号也为0。改变振动的幅度或频率可以改变粒子的动能，即影响已知多余粒子电信号输出[12-14]。

由图8可知，在频率范围约40 ~150 Hz内的电压输出几乎是恒定的，高于此频率范围的试验将产生更少的多余粒子碰撞，从而产生更少的电压输出。另外，图9显示了传感器的输出电压与加速度等级的关系，加速度从10g增加到20g时，可使腔体内的多余粒子的输出电压增加30%~50%。

图8 粒子的输出电压与频率的关系图

因此，根据动能原理及MIL-STD-883K方法2020.9试验条件A和条件B的要求，在40 ~150 Hz频率范围内，按下式计算被测产品的振动频率：

式中：D——内腔平均高度，mm；

a——正弦振动加速度，10g或20g；

F——振动频率，Hz。

基于式（2），典型内腔高度与频率值的关系如表1的一些典型值。

图9 粒子的输出电压与加速度的关系图

表1 典型内腔高度与频率值的关系（条件A）

另外，对于条件B（振动加速度为10g）的最小频率标准要求为60 Hz，所以代入（2）可知对应的产品内腔平均高度D≥1.381 mm时，均按最小频率60 Hz进行试验，若内腔平均高度D＜1.381 mm时的频率典型值可以按表2进行选择。

表2 典型内腔高度与频率值的关系（条件B）

验证夹具用的陶瓷针栅阵列微电子器件内腔平均高度约为1.23 mm，按试验条件A（加速度20g）进行试验，代入式（2）可知，振动频率F为90 Hz。然后把内腔存在金属及非金属多余物的盲样各1只混入合格批，10只样品为一组，共进行10次试验。10次试验中，金属多余物盲样有1次试验没有检测出，因此准确率为90%；但对于非金属多余物盲样，由于质量小且吸附能力强，其中有3次试验没有检测出盲样，因此准确率只有70%。另外，由于多余物在试验过程中是处于随机游离状态，多次试验后可能会卡在器件内腔的某处，对于非金属多余物更是如此，从而会导致准确率降低，所以标准要求检测出多余物后的样品不能重新试验[15]。因此对于初始状态内腔存在多余物的样品，夹具对陶瓷针栅阵列微电子器件PIND试验是有效的。