基于H023A 芯片模塊的X 射線安檢機失效研究

王夢輝，劉剛，張鴻儒，瞿志二

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

0 引言

X 光安檢機安全檢查設備由行李輸送部分、X 射線源及控制部分、信號采集處理及傳輸部分、圖像處理部分和電氣控制部分組成[1]。H032A 芯片模塊用在安檢機的信號采集與傳輸部分，將硅片采集到的光信號進行分通道傳輸，當通道正常時，光信號經圖像處理整合在安檢機屏幕上成像，當信號通道失效時，會使該通道的光信號傳輸中斷，使其無法進行圖像處理，從而導致安檢機顯示屏出現白條帶和圖片模糊現象。參考測試數據，安檢機失效絕大多數是出現在信號傳輸部分上，因此解決H032A 芯片模塊的失效就是解決安檢機的失效問題。

1 失效分析

研究安檢機的失效原因，首先需要對其進行失效定位，也就是進行大量失效測試，找出普遍的失效類型[2]；然后對失效進行成因分析，提出最終解決方案。

如圖1 所示，使用安檢機公司自主研發的失效測試軟件Release 可以從模擬成像圖、噪聲值、波段數三個方面檢測H032A 芯片模塊是否存在光信號通道失效問題[3]，并對192 塊已失效的H032A 芯片模塊進行逐一檢測，測試結果是芯片模塊單/多信號通道失效占大多數，占失效總數的98%。

圖1 光通道失效檢測圖

1.1 模擬成像圖

如圖2 所示，模擬成像是Release 測試軟件通過將暗環境條件下的H032A 芯片模塊光信息整合，進而得出成像結果模擬圖。圖2 中左側為正常光通道圖，右側為光通道失效圖。

通過對比可以直觀地看出，在暗環境條件下失效H032A 芯片模塊的模擬成像圖會出現明顯的白色條帶，原因是光信號無法在失效的光通道中傳輸，從而使測試軟件無法進行模擬，最終形成白色條帶。所以，當暗環境下H032A 芯片模塊的成像模擬圖出現白色條帶時，可以確定該模塊存在光信號通道失效問題。

圖2 失效模擬成像對比圖

1.2 噪聲值

如圖3 所示，噪聲值是衡量光信號傳輸質量的標準，當H032A 芯片模塊信號通道正常工作時，其噪聲值應是一條幅值有較小上下波動的水平線（圖3 上）；當H032A 模塊出現信號通道失效時，大量的雜質信息（如電流、聲音等）涌入通道，造成該通道噪聲幅值波動明顯（圖3 下）。大量測試數據表明，幅值上下波動在9.0 刻度以下的噪聲不會對安檢機的成像質量造成干擾，因此噪聲值在9.0 刻度以內都可算作通道正常，當噪聲值高于9.0 刻度時，該通道的噪聲會造成安檢機掃描圖的模糊，因此噪聲值如果超過9.0 刻度就可以認定該通道失效。

圖3 失效噪聲值對比圖

1.3 波段數

如圖4 所示，波段數是反應光信息在信號通道傳輸量的計量標準，當信號通道正常時，各個信息通道的波段數趨于連續，不會出現過大起伏（圖4 左），當信號通道出現失效時，該通道的波段數會因光信號傳輸中斷或流入大量雜質而呈現出長條狀（圖4 右）。因此，當波段數出現條狀波形時，可以確定該通道出現失效。

圖4 失效波段對比圖

1.4 失效歸納

使用Release 失效測試軟件對192 塊失效H032A芯片模塊單/多信號通道的原因進行測試與分析，將失效原因歸納為以下三點：

（1）芯片損壞。這種失效產生在安檢機的早夭期；因芯片自身的問題導致失效。

（2）產品斷路/短路。這種失效產生在安檢機的使用期和磨損期。在使用期，該階段的失效率趨于穩定并且失效原因隨機，特殊的地區或環境使用都可能造成安檢機中H032A 模塊的損壞。在老化期，失效率大幅增加，原因為系統長時間連續使用造成的芯片模塊老化導致失效。

（3）產品應力。這種失效產生也在安檢機的早夭期，因焊接等原因使產品內部出現應力未得到釋放導致失效。

2 失效驗證

H032A 芯片模塊主要由32 個采光硅片、綁線、H032A 芯片組成。至此，失效原因可暫定為芯片損壞、產品斷路/短路、產品應力。為進一步研究失效的產生，需進行失效模擬。

2.1 芯片損壞

為驗證芯片損壞是失效原因這一結論，可采用物理分析的方法。對已失效的H032A 芯片模塊進行XRay 檢測。X-RAY 檢測儀是利用陰極射線管產生高能量電子與金屬靶撞擊，在撞擊過程中，因電子突然減速，其損失的動能會以X-Ray 形式放出，其具有非常短的波長但高電磁輻射線。而對于樣品無法以外觀方式檢測的位置，利用紀錄X-Ray 穿透不同密度物質后其光強度的變化，產生的對比效果可形成影像即可顯示出待測物之內部結構，進而可在不破壞待測物的情況下觀察待測物內部是否存在有問題的區域。

如圖5 所示，H032A 芯片共有32 個管腳，每個管腳對應一個信息通道，其作用是把各個通道積分進行數字輸出。如圖6 所示，通過X-RAY 檢測儀可以清楚看到H032A 芯片內部連線因氣泡出現斷裂，這就導致芯片的一個通道出現斷路，導致當前信號通道出現失效問題。該情況的出現并不普遍，在本次X-Ray 的實驗過程中，192 塊失效H032A 芯片模塊中僅有一例出現芯片內部斷裂問題，由于這種情況并不普遍，并且不可避免且無法挽救，所以針對芯片損壞的失效原因將不再進行失效模擬。

圖5 H032A 管腳圖

圖6 X-Ray 檢測圖

2.2 產品斷/短路

為驗證H032A 芯片模塊斷路/短路是失效原因這一結論，通過老化實驗來失效模擬。本次老化實驗采用恒溫恒濕箱來加速產品（合格成品模塊10 塊）存在的缺陷的暴露。給成品施加熱的、電的、機械的或多種綜合的外部應力，模擬嚴酷工作環境，消除加工應力和殘余溶劑等物質，使潛伏故障提前出現，高溫高濕老化后實行電氣參數測量，篩選剔除無效或變值的元器件，找出失效表現并詳細記錄。具體參照標準和國家環境試驗方法標準如下：

（1）GB/T 10592：2008《高溫試驗箱技術條件》

（2）GB/T 2423.2：2008《電工電子產品基本環境試驗規程試驗Db：高溫試驗方法》

表1 產品老化實驗（編號1011804173）

本次實驗為便于制表，所以將溫度變化作為橫坐標、噪聲幅值波動作為實驗參考縱坐標，當單點噪聲幅值超過9.0 刻度時，可以判定為產品失效，丟包則代表產品工作時的報錯率，當丟包趨于平穩時表示產品工作基本正常，丟包率是產品工作狀態變化的參考，丟包率大幅增加時是產品失效的前兆。通過本次老化實驗可知，在溫度為65℃（濕度45%）和95℃（濕度80%）都出現了產品失效前兆，但只有當溫度95℃（濕度80%）時噪聲幅值波動才高出9.0 刻度，因此，該模塊在65℃（濕度45%）時僅會對工作狀態產生較小的影響，并不會造成模塊的失效。只有在長時間高溫高濕工作環境時，產品才會發生單/多信號通道失效的情況。

為驗證H032A 芯片模塊的失效是由安檢機工作產生的高溫所致，在老化實驗后采取驗證實驗，實驗過程中關閉安檢機裝載的內部降溫裝置，使其在高溫的狀態下工作8 小時，將高溫工作8 小時后H032A 芯片模塊的噪聲值與模擬實驗后的噪聲值進行對比，為了使兩種噪聲曲線更具有對比性，將每個驗證實驗的噪聲值降低兩個刻度，對比圖如圖7 所示。

圖7 高溫工作噪聲與模擬噪聲對比圖

經兩種噪聲曲線的對比，可看出在關閉安檢機內部降溫措施的情況下，其正常工作產生的高溫是H032A 芯片模塊失效的原因。在驗證實驗一段時間后，再次對失效的H032A 芯片模塊進行測試，發現并無恢復跡象，電路測試結果為短路，是失效類別中的完全失效。

通過本次老化實驗可以確定，在失效的H032A 芯片模塊中，有一部分是由于安檢機長時間的高溫高濕工作造成的失效，符合之前歸納出失效原因的結論。

2.3 產品應力

通常是指產品在焊接等加工過程中產品內部產生的力。為驗證產品應力是失效原因這一結論，同樣采取物理分析的方法，排除硬件損壞的干擾項，對一批生產中失效的H032A 芯片模塊進行完好性檢測。

首先排除因32 個采光硅片損壞而導致的信號通道失效。每個硅片負責相應通道的光信息采集，當硅片表面出現細小裂痕時，導致該通道沒有光信息被采集，會導致單/多信號通道的失效。因此需要提前用高倍金相顯微鏡對硅片表面進行探傷。

接著排除因綁線斷路而導致的信號通道失效。綁線是硅片與電路的連接，當綁線出現斷裂時會造成斷路，H032A 芯片模塊綁線處用黑膠覆蓋，膠的滑動可能造成綁線處的接觸不良，會導致單/多信號通道的失效。因此也需要用X-Ray 檢測儀對其先行檢測。

最后排除因芯片的焊接造成的信號通道失效。H032A 芯片共32 個引腳，每個引腳對應相應信號通道，當出現虛焊、連焊等問題時，會造成單/多信號通道的失效。同樣需要用X-Ray 檢測儀對其引腳進行檢測。

當失效產品排除上述所有可導致信號通道失效的干擾時，可以認定是應力原因導致產品失效。

3 解決方案

對于生產中應力造成的H032A 芯片模塊失效問題，可采用烘烤的方法，從而解放應力。

3.1 烘烤實驗

查閱釋放應力相關文獻，可知產品應力解放溫度應加熱到比產品正常使用溫度高20-35℃度或者比產品的熱變形溫度低25-35℃的溫度下[5]。本次應力解放實驗采取加熱烘烤方案，將烘烤溫度定為產品熱變形溫度低25℃。實驗分為125℃烘烤8 小時的理論組（5塊）和120℃烘烤4 小時測試組（5 塊）。實驗結果如圖8 所示。

本次實驗選取上述應力測試后的H032A 芯片模塊進行實驗，如圖8 左可知在進行烘烤前其24 信號通道噪聲小于0，可以推斷為該通道失效。失效的模塊經過兩種烘烤方案后都恢復到了合格標準（圖8 下）。說明模塊內部的應力在烘烤的作用下得到了有效釋放。綜合這兩種方案對H032A 模塊的恢復程度相同，根據所需的恢復時間，最佳的恢復方案為120°烘烤4 小時。

圖8 烘烤結果對比圖

3.2 失效復發檢測

如圖9 所示，為驗證125℃烘烤8 小時和120℃烘烤4 小時兩種方案從根本上解決了電路應力問題，在烘烤結束后的第10 天再次對已恢復正常的H032A 芯片模塊進行失效復發檢測，將烘烤完成時數據與10 天后該模塊數據進行比對。

圖9 烘烤10天后失效復檢對比圖

通過比對可看出，10 天后的模塊的噪聲曲線（圖9上）與烘烤結束時的噪聲曲線（圖9 下）基本一致，因此可以確定，通過烘烤可以解放H032A 芯片模塊產品中存在的應力并且無失效復發現象，H032A 芯片模塊可用烘烤將應力失效問題根除。

4 結語

本文通過對安檢機的失效分析，鎖定原因主要由失效為H032A 芯片模塊的單/多信號通道失效引起的，通過對H032A 芯片模塊的失效軟件測試、失效模擬、老化實驗等一系列測試，成功建立失效機制，針對生產中應力導致的失效給出了烘烤恢復失效實用方法，并綜合恢復程度、恢復時間，總結出最佳的恢復方案為120°烘烤4 小時。使安檢機中H032A 芯片模塊的失效問題得以解決。