提高基于专用芯片HIGS-X32A2产品可靠性的实验研究

刘刚，马牧燕，仵思笛，张艺伟

（北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京100192）

借助自主研发的Release仿真软件，对专用芯片HIGS-X32A2进行预失效验证，获得专用芯片良品率范围表；进而通过芯片封装技术及光电探测器组装技术并结合制程工序的检测测量，监测可能对专用芯片产品性能产生影响的各种因素；从而提高基于专用芯片HIGS-X32A2产品的可靠性。

HIGS-X32A2专用芯片；制程工艺；光电探测器

0 引言

在芯片制造行业，评价其水平高低的主要标准，是其制程工艺，通常以“Xnm”的形式表示。制程工艺数字越小，意味着能在更小体积的芯片中塞进更多晶体管，并且运算性能更高、耗电量更小。例如，5nm工艺比7nm先进，7nm比10nm先进。大名鼎鼎的“摩尔定律”，描述的就是制程工艺之迭代：单位面积上晶体管数量，每两年（也有18个月的说法）增加一倍。

目前全球顶尖的芯片制造商有：美国的高通、中国台湾的联发科、中国的华为海思、美国的苹果等，它是衡量一个国家高端制造能力和综合国力的重要标志之一。如同当前手机市场上，华为手机与苹果手机之间的销售竞争；已不仅仅局限于公司利益之争，更是其背后国家科技实力的较量，华为手机中的麒麟990 5G芯片为业界最先进的7nm Plus EUV工艺制程，在一颗指甲大小的芯片上集成了103亿晶体管，是目前晶体管数最多、功能最完整、复杂度最高的5G片上系统。在制程工艺、GPU、AI性能等多方面优于苹果手机中的高通骁龙865芯片。这也是美国举一国之力封杀中国华为的真正原因[1]。

1 专用芯片HIGS-X32A2失效预验证

芯片一般是指集成电路的载体，也是集成电路经过设计、制造、封装、测试后的结果，通常是一个能立即使用的独立的整体[2]。为了检测芯片是否失效，采用HIGSOE公司自主研发的Release测试软件作为主要检测手段。

图1 Release软件检测界面示意图

Release芯片测试软件检测界面如图1所示，主要通过三个方面电特性测试来检测芯片的功能情况，即：①灰度成像图、②噪声值、③像素均值（企业称之本底值）。

首先，灰度成像图主要针对专用芯片的管脚是否有问题，若芯片管脚出现问题灰度图就会显示出纯黑色条状图形，说明芯片的某一管脚已失效。

其次，噪声值主要针对专用芯片每一管脚的噪声值进行测量，由于每一批芯片的质量以及良品率都不相同，所以针对每一批次的芯片都会有合适的噪声值范围区间，只有符合这一规定区间的噪声值的芯片才能称得上是合格的芯片。严格来说，芯片的噪声值是在5.0-8.5db，但在实际应用过程中，由于每一块芯片自身的差异，所以噪声值的大小上下会有些浮动，很多时候考虑到芯片的制作成本，都会超出这个理论范围，这些芯片虽然不严格符合标准，但实际效果是可以接受的。

第三，像素均值（本底值）主要针对专用芯片本身的数值。每种芯片的本底值不同，HIGS-H32A2专用芯片的本底值范围在1500-6500，如果芯片的实际本底值符合理论值范围，则在区域中显示的曲线应该完全呈现出来，不会出现超出区域边缘而发生断点的现象。

经过Release测试软件失效预验证后，合格的HIGS-H32A2专用芯片，才能通过回流焊焊接到图2所示的PCB板成品上。

2 基于专用芯片HIGS-X32A2成品的检测

如图2所示，为XX型安检机中用到的基于HIGS-X32A专用芯片模块产品实物图，它主要包括64像素硅光电探测器阵列、64像素碘化色高能闪烁体阵列和两块专用芯片HIGS-X32A。

图2 HIGS-X32A专用芯片模块实物图

2.1 专用芯片HIGS-X32A2的封装工艺

检测基于专用芯片HIGS-X32A2产品并进行可靠性实验研究，首先要了解专用芯片HIGS-X32A2的封装工艺。

芯片封装技术即为安装芯片外壳的技术。该技术不仅可以安放、固定、密封、保护芯片，还可以增强芯片的导热性能。其中，芯片上的接点通过导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚通过PCB板上的导线与其他器件相连接[3]。

如图3所示为专用芯片HIGS-X32A2的框架模板图，其中从左上角逆时针方向可观察得为64引脚。每个芯片其外部的封装都会有一个开口（开槽），作为焊接的对位（方向）的确定点。在对应的PCB板上也会有丝印的对位圆圈。图中的6334[210]为内部芯片的尺寸，单位为微米（英制单位）。

图3 HIGS-X32A2专用芯片框架模板图

如图4所示为HIGS-X32A2芯片外型设计图。其中包括了俯视图、引脚细节图等视图，以及对应尺寸。（由于该图片属于商业机密，所以具体尺寸并未公开。）

图4 HIGS-X32A专用芯片外型设计图

该专用芯片的封装方式为QFP封装。方形封装的主要优点在于它能使封装具有高密度。例如，引脚中心距同样是0.6mm的方形封装和PLCC封装相比，方形封装器件内部的互连数超过PLCC的两倍。

如图5所示为通过绑线设备绑线后的裸芯片图。其中的键合线就相当于是绑定晶元与外部管脚的桥梁。通过该图片可以与化学开封过后的芯片进行对比，观察芯片内部是否出现问题。

图5 绑线后的裸芯片（未封装状态）

2.2 光电探测器PD（Photoelectric Detector）阵列

PD就是晶圆的一部分，晶圆如图6所示，普通的晶圆与PD的关系为：1晶圆=70PD。

图6 晶圆示意图

硅片是芯片的最基本组成，结晶型的硅片是暗黑蓝色的，很脆，是典型的半导体。将硅片加工成晶圆后，可以实现许多功能。若切割成如图7所示的PD阵列，就可以实现光电转换，即接收并传送光电流信号，通过接收不同大小的光电流信号，经过硅片转换成电压信号，再通过专用芯片HIGS-X32A2处理转换成后续电路所需电信号。

图7 PD阵列示意图

不同位置的PD质量差异较大，通过量产前的成百上千次实验验证以及对产品实际应用中使用效果的分析研究得出结论；如图8所示的绿色区域内的PD质量是最好的[4]。其他位置的PD由于比较贴近边缘，所以多少会有些问题。例如①②③位置处的PD就存在PD上的某一连接点出现了断点问题，无法进行光电转换。④⑤⑥⑦⑧位置处的PD存在信号接收不稳定的问题，即当输入的光强一定时，接收到的光强信号会处于不断波动的状态，这会影响最终的成像质量，所以在实际生产过程中，为确保光电探测器的可靠性，只选取晶圆中间绿色区域的24块PD作为光信号接收装置。

图8 PD选取区域图

3 专用芯片HIGS-X32A2测试实验与成品检测

3.1 Release软件测试实验

如图9所示，为专用芯片HIGS-X32A2实际测试硬件电路接线图。测试环境为全封闭的静电屏蔽箱，箱体内部有主控板，需直流12V供电，主控板可连接专用芯片HIGS-X32A2，并通过局域网与计算机设备相连，在Release软件上可实时查看专用芯片的各种参数，如芯片的灰度成像图、噪声值以及像素均值（本底值）等[5]。

图9 测试硬件电路接线图

为了总结出专用芯片HIGS-X32A2良品率范围表，进行了一系列实验验证；下面仅以专用芯片噪声值测量实验为例：

实验方法：每次选取两块专用芯片作为一组，一块为合格芯片，另一块为不合格芯片；用Release软件获得其各自的噪声值曲线图，读取出最高噪声值和最低噪声值，将数据填入表1；一共进行了五组测试，同时计算出了五组的平均值。

表1 专用芯片HIGS-X32A噪声值实测数据

同理，通过比对已知性能好坏芯片的灰度成像图实验、像素均值（本底值）实验，最终得出专用芯片HIGS-X32A2良品率范围表，见表2；为今后测试性能未知专用芯片HIGS-X32A2奠定了基础。

表2 专用芯片HIGS-X32A良品率表

3.2 基于专用芯片HIGS-X32A2成品终检

筛选出可靠的PD和良品的HIGS-X32A2芯片后，还需经过回流焊（HIGS-X32A2芯片+PCB板），激光清洗，晶圆的扩片，晶圆的取片，粘贴PD，晶圆的绑线等一系列工艺流程，才能进入最终成品检测工序。成品检测的工序如下：

（1）检查PD的绑线（铝丝）是否有变形/被压扁的现象，编号/位置标号是否清晰，金手指（焊盘）是否有脏污，若有异常，就不能执行下一部操作；

（2）打开屏蔽箱盖，电路板的金手指对准触点卡夹，插入卡夹，关闭箱盖，点击SCAN。此时，屏幕显示电路的噪声值，PD本底值，灰度图像；

（3）经测得正常电路噪声值：大于5 db且小于10 db；正常本底值：大于1500值且小于6000值；正常像素图像：灰度图像均匀（无明显黑色条带和白色条带）；

（4）打开屏蔽箱盖，光线照射到PD，电路噪声值上升（高于正常值），本底值趋于饱和值约65000值，图像是白色图像；

（5）若此时测试合格，可直接拔下取出成品板；

（6）若测试PD处于不合格状态，则根据测试结果图找到失效点，从而进一步找到专用芯片失效原因；

（7）只有检测合格的成品板才能被安装到安检机内，进行联机调试。

4 结语

基于专用芯片HIGS-X32A2产品在实际制作的全部过程中，每一道工序，每一个环节，都有可能导致产品发生失效。提高基于专用芯片HIGS-X32A2产品的可靠性，并非局限于文中叙述的方法；还可通过X射线探测仪对专用芯片HIGS-X32A2进行无损检测的方法，以及借助恒温恒湿箱对基于专用芯片HIGSX32A2产品进行老化实验等方法；从而进一步提高基于专用芯片HIGS-X32A2产品的可靠性。