提高基于專用芯片HIGS-X32A2產品可靠性的實驗研究

劉剛，馬牧燕，仵思笛，張藝偉

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

借助自主研發的Release仿真軟件，對專用芯片HIGS-X32A2進行預失效驗證，獲得專用芯片良品率范圍表；進而通過芯片封裝技術及光電探測器組裝技術并結合制程工序的檢測測量，監測可能對專用芯片產品性能產生影響的各種因素；從而提高基于專用芯片HIGS-X32A2產品的可靠性。

HIGS-X32A2專用芯片；制程工藝；光電探測器

0 引言

在芯片制造行業，評價其水平高低的主要標準，是其制程工藝，通常以“Xnm”的形式表示。制程工藝數字越小，意味著能在更小體積的芯片中塞進更多晶體管，并且運算性能更高、耗電量更小。例如，5nm工藝比7nm先進，7nm比10nm先進。大名鼎鼎的“摩爾定律”，描述的就是制程工藝之迭代：單位面積上晶體管數量，每兩年（也有18個月的說法）增加一倍。

目前全球頂尖的芯片制造商有：美國的高通、中國臺灣的聯發科、中國的華為海思、美國的蘋果等，它是衡量一個國家高端制造能力和綜合國力的重要標志之一。如同當前手機市場上，華為手機與蘋果手機之間的銷售競爭；已不僅僅局限于公司利益之爭，更是其背后國家科技實力的較量，華為手機中的麒麟990 5G芯片為業界最先進的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，是目前晶體管數最多、功能最完整、復雜度最高的5G片上系統。在制程工藝、GPU、AI性能等多方面優于蘋果手機中的高通驍龍865芯片。這也是美國舉一國之力封殺中國華為的真正原因[1]。

1 專用芯片HIGS-X32A2失效預驗證

芯片一般是指集成電路的載體，也是集成電路經過設計、制造、封裝、測試后的結果，通常是一個能立即使用的獨立的整體[2]。為了檢測芯片是否失效，采用HIGSOE公司自主研發的Release測試軟件作為主要檢測手段。

圖1 Release軟件檢測界面示意圖

Release芯片測試軟件檢測界面如圖1所示，主要通過三個方面電特性測試來檢測芯片的功能情況，即：①灰度成像圖、②噪聲值、③像素均值（企業稱之本底值）。

首先，灰度成像圖主要針對專用芯片的管腳是否有問題，若芯片管腳出現問題灰度圖就會顯示出純黑色條狀圖形，說明芯片的某一管腳已失效。

其次，噪聲值主要針對專用芯片每一管腳的噪聲值進行測量，由于每一批芯片的質量以及良品率都不相同，所以針對每一批次的芯片都會有合適的噪聲值范圍區間，只有符合這一規定區間的噪聲值的芯片才能稱得上是合格的芯片。嚴格來說，芯片的噪聲值是在5.0-8.5db，但在實際應用過程中，由于每一塊芯片自身的差異，所以噪聲值的大小上下會有些浮動，很多時候考慮到芯片的制作成本，都會超出這個理論范圍，這些芯片雖然不嚴格符合標準，但實際效果是可以接受的。

第三，像素均值（本底值）主要針對專用芯片本身的數值。每種芯片的本底值不同，HIGS-H32A2專用芯片的本底值范圍在1500-6500，如果芯片的實際本底值符合理論值范圍，則在區域中顯示的曲線應該完全呈現出來，不會出現超出區域邊緣而發生斷點的現象。

經過Release測試軟件失效預驗證后，合格的HIGS-H32A2專用芯片，才能通過回流焊焊接到圖2所示的PCB板成品上。

2 基于專用芯片HIGS-X32A2成品的檢測

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

圖2 HIGS-X32A專用芯片模塊實物圖

2.1 專用芯片HIGS-X32A2的封裝工藝

檢測基于專用芯片HIGS-X32A2產品并進行可靠性實驗研究，首先要了解專用芯片HIGS-X32A2的封裝工藝。

芯片封裝技術即為安裝芯片外殼的技術。該技術不僅可以安放、固定、密封、保護芯片，還可以增強芯片的導熱性能。其中，芯片上的接點通過導線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳通過PCB板上的導線與其他器件相連接[3]。

如圖3所示為專用芯片HIGS-X32A2的框架模板圖，其中從左上角逆時針方向可觀察得為64引腳。每個芯片其外部的封裝都會有一個開口（開槽），作為焊接的對位（方向）的確定點。在對應的PCB板上也會有絲印的對位圓圈。圖中的6334[210]為內部芯片的尺寸，單位為微米（英制單位）。

圖3 HIGS-X32A2專用芯片框架模板圖

如圖4所示為HIGS-X32A2芯片外型設計圖。其中包括了俯視圖、引腳細節圖等視圖，以及對應尺寸。（由于該圖片屬于商業機密，所以具體尺寸并未公開。）

圖4 HIGS-X32A專用芯片外型設計圖

該專用芯片的封裝方式為QFP封裝。方形封裝的主要優點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，方形封裝器件內部的互連數超過PLCC的兩倍。

如圖5所示為通過綁線設備綁線后的裸芯片圖。其中的鍵合線就相當于是綁定晶元與外部管腳的橋梁。通過該圖片可以與化學開封過后的芯片進行對比，觀察芯片內部是否出現問題。

圖5 綁線后的裸芯片（未封裝狀態）

2.2 光電探測器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，結晶型的硅片是暗黑藍色的，很脆，是典型的半導體。將硅片加工成晶圓后，可以實現許多功能。若切割成如圖7所示的PD陣列，就可以實現光電轉換，即接收并傳送光電流信號，通過接收不同大小的光電流信號，經過硅片轉換成電壓信號，再通過專用芯片HIGS-X32A2處理轉換成后續電路所需電信號。

圖7 PD陣列示意圖

不同位置的PD質量差異較大，通過量產前的成百上千次實驗驗證以及對產品實際應用中使用效果的分析研究得出結論；如圖8所示的綠色區域內的PD質量是最好的[4]。其他位置的PD由于比較貼近邊緣，所以多少會有些問題。例如①②③位置處的PD就存在PD上的某一連接點出現了斷點問題，無法進行光電轉換。④⑤⑥⑦⑧位置處的PD存在信號接收不穩定的問題，即當輸入的光強一定時，接收到的光強信號會處于不斷波動的狀態，這會影響最終的成像質量，所以在實際生產過程中，為確保光電探測器的可靠性，只選取晶圓中間綠色區域的24塊PD作為光信號接收裝置。

圖8 PD選取區域圖

3 專用芯片HIGS-X32A2測試實驗與成品檢測

3.1 Release軟件測試實驗

如圖9所示，為專用芯片HIGS-X32A2實際測試硬件電路接線圖。測試環境為全封閉的靜電屏蔽箱，箱體內部有主控板，需直流12V供電，主控板可連接專用芯片HIGS-X32A2，并通過局域網與計算機設備相連，在Release軟件上可實時查看專用芯片的各種參數，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 測試硬件電路接線圖

為了總結出專用芯片HIGS-X32A2良品率范圍表，進行了一系列實驗驗證；下面僅以專用芯片噪聲值測量實驗為例：

實驗方法：每次選取兩塊專用芯片作為一組，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圖，讀取出最高噪聲值和最低噪聲值，將數據填入表1；一共進行了五組測試，同時計算出了五組的平均值。

表1 專用芯片HIGS-X32A噪聲值實測數據

同理，通過比對已知性能好壞芯片的灰度成像圖實驗、像素均值（本底值）實驗，最終得出專用芯片HIGS-X32A2良品率范圍表，見表2；為今后測試性能未知專用芯片HIGS-X32A2奠定了基礎。

表2 專用芯片HIGS-X32A良品率表

3.2 基于專用芯片HIGS-X32A2成品終檢

篩選出可靠的PD和良品的HIGS-X32A2芯片后，還需經過回流焊（HIGS-X32A2芯片+PCB板），激光清洗，晶圓的擴片，晶圓的取片，粘貼PD，晶圓的綁線等一系列工藝流程，才能進入最終成品檢測工序。成品檢測的工序如下：

（1）檢查PD的綁線（鋁絲）是否有變形/被壓扁的現象，編號/位置標號是否清晰，金手指（焊盤）是否有臟污，若有異常，就不能執行下一部操作；

（2）打開屏蔽箱蓋，電路板的金手指對準觸點卡夾，插入卡夾，關閉箱蓋，點擊SCAN。此時，屏幕顯示電路的噪聲值，PD本底值，灰度圖像；

（3）經測得正常電路噪聲值：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（無明顯黑色條帶和白色條帶）；

（4）打開屏蔽箱蓋，光線照射到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）若此時測試合格，可直接拔下取出成品板；

（6）若測試PD處于不合格狀態，則根據測試結果圖找到失效點，從而進一步找到專用芯片失效原因；

（7）只有檢測合格的成品板才能被安裝到安檢機內，進行聯機調試。

4 結語

基于專用芯片HIGS-X32A2產品在實際制作的全部過程中，每一道工序，每一個環節，都有可能導致產品發生失效。提高基于專用芯片HIGS-X32A2產品的可靠性，并非局限于文中敘述的方法；還可通過X射線探測儀對專用芯片HIGS-X32A2進行無損檢測的方法，以及借助恒溫恒濕箱對基于專用芯片HIGSX32A2產品進行老化實驗等方法；從而進一步提高基于專用芯片HIGS-X32A2產品的可靠性。