邢榮欣，李潔，趙昭，王酣

(中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100176)

0 引言

粒子碰撞噪聲檢測(cè)儀(PIND，Particle Impact Noise Detection)是微電子元器件可靠性篩選的重要設(shè)備，用于檢測(cè)封裝器件內(nèi)的多余粒子。PIND 在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，國(guó)軍標(biāo)GJB548B －2005 《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》和GJB128－1997《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》中都對(duì)PIND 試驗(yàn)的方法和流程作了明確規(guī)定。

PIND 的基本測(cè)試原理是:在機(jī)械沖擊下，元器件內(nèi)部空腔中可能存在的微小粒子與器件空腔壁分離，變?yōu)樽杂闪Ｗ?自由粒子在規(guī)定頻率和加速度的正弦振動(dòng)下，與器件空腔內(nèi)壁發(fā)生微小碰撞，產(chǎn)生粒子噪聲;PIND 通過(guò)STU 傳感器探測(cè)到該粒子噪聲，以聲光方式報(bào)警，通知操作人員器件內(nèi)部存在微小粒子。PIND 的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 充電平板檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖

1 PIND 的主要技術(shù)指標(biāo)及校準(zhǔn)方法

根據(jù)PIND 的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，并結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，歸納PIND 的主要技術(shù)指標(biāo):振動(dòng)加速度幅值、振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、沖擊加速度幅值、沖擊脈沖寬度等。表1 為PIND 的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 PIND 主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 振動(dòng)參數(shù)校準(zhǔn)

振動(dòng)參數(shù)的校準(zhǔn)，包括振動(dòng)加速度幅值、振動(dòng)頻率和振動(dòng)時(shí)間的校準(zhǔn)，可通過(guò)壓電式振動(dòng)傳感器、電荷放大器、頻率計(jì)和示波器組成的振動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖2 (a)和2 (b)所示。其中圖2 (a)為振動(dòng)加速度幅值和振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間校準(zhǔn)裝置，圖2 (b)為振動(dòng)頻率校準(zhǔn)裝置。

校準(zhǔn)方法:將校準(zhǔn)用壓電振動(dòng)傳感器用專用雙面膠固定在被校PIND 的振動(dòng)沖擊臺(tái)上。根據(jù)規(guī)程和客戶需求設(shè)定被校PIND 的振動(dòng)加速度幅值和振動(dòng)頻率(振動(dòng)加速度一般選取5，10 ，20 g，振動(dòng)頻率覆蓋20 ～250 Hz)。利用示波器讀取電荷放大器的輸出電壓峰值，根據(jù)加速度計(jì)的參考靈敏度、電荷放大器的準(zhǔn)確度計(jì)算振動(dòng)加速度幅值校準(zhǔn)值;利用頻率計(jì)，進(jìn)行振動(dòng)頻率校準(zhǔn);設(shè)定PIND 振動(dòng)時(shí)間，利用示波器進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間校準(zhǔn)。本文中，振動(dòng)參數(shù)校準(zhǔn)選用的設(shè)備包括:YD－12 型壓電振動(dòng)傳感器、DHF － 2 型電荷放大器、53131A 型數(shù)字頻率計(jì)和DPO4104B 型數(shù)字示波器。

圖2 PIND 振動(dòng)參數(shù)校準(zhǔn)裝置

1.2 沖擊參數(shù)校準(zhǔn)

沖擊參數(shù)的校準(zhǔn)，包括沖擊加速度幅值、沖擊脈寬的校準(zhǔn)，可利用壓電加速度傳感器、電荷放大器和示波器組成的沖擊校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其裝置示意圖同圖2 (a)。

校準(zhǔn)方法:將校準(zhǔn)用加速度傳感器用雙面膠固定在被校PIND 的振動(dòng)沖擊臺(tái)上。在進(jìn)行沖擊參數(shù)校準(zhǔn)前，須進(jìn)行PIND 的帶載沖擊加速度自校正;根據(jù)規(guī)程和客戶需求設(shè)定被校PIND 的沖擊加速度幅值(一般選取1000 g 和2000 g)。利用沖擊參數(shù)校準(zhǔn)裝置對(duì)被校PIND 的沖擊加速度幅值和沖擊脈寬進(jìn)行校準(zhǔn)。本文中，沖擊參數(shù)校準(zhǔn)選用的設(shè)備包括:YD －5 型振動(dòng)傳感器、DHF－2 型電荷放大器和DPO4104B 型數(shù)字示波器。

2 校準(zhǔn)實(shí)例與測(cè)量不確定度分析

2.1 校準(zhǔn)實(shí)例

根據(jù)以上介紹的PIND 校準(zhǔn)裝置，對(duì)45llL 型PIND測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了校準(zhǔn)驗(yàn)證，以下為試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)波形。

2.1.1 振動(dòng)加速度幅值校準(zhǔn)

根據(jù)以上方法，對(duì)PIND 振動(dòng)加速度幅值進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 振動(dòng)加速度幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù) g

2.1.2 振動(dòng)頻率校準(zhǔn)

對(duì)于振動(dòng)頻率校準(zhǔn)，校準(zhǔn)點(diǎn)的選取應(yīng)包含GJB548和GJB128 要求的測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)覆蓋最大和最小值。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 振動(dòng)頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù) Hz

2.1.3 振動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)

根據(jù)GJB548B，振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間規(guī)定為3 s，因此僅對(duì)3 s 定時(shí)和最短定時(shí)0.1 s、最長(zhǎng)定時(shí)25.5 s 進(jìn)行校準(zhǔn)即可。3 s 振動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)波形如圖3 所示。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表4 所示。

圖3 振動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)波形(3s)

表4 振動(dòng)頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù) s

2.1.4 沖擊加速度幅度校準(zhǔn)

對(duì)于沖擊加速度的校準(zhǔn)，選取1000 g，2000 g 兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。由于沖擊臺(tái)在主沖擊峰后不會(huì)立刻靜止，后面還會(huì)有一些小的沖擊波形(如圖4)，因此在進(jìn)行沖擊校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)盡量選擇較高的觸發(fā)電平或者采取單次觸發(fā)方式，以保證示波器采集的波形為沖擊波形的第一峰。1000 g 校準(zhǔn)波形如圖5，沖擊加速度幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表5 所示。

圖4 沖擊校準(zhǔn)波形(1000 g)

表5 沖擊加速度幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù) g

2.1.5 沖擊脈寬校準(zhǔn)

沖擊脈寬的校準(zhǔn)是在沖擊幅度校準(zhǔn)采集的沖擊波形上，對(duì)其脈寬參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。1000g 沖擊波形的脈寬校準(zhǔn)波形如圖6 所示。脈寬校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表6 所示。

圖6 沖擊脈寬校準(zhǔn)波形(1000 g)

表6 沖擊脈寬校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

2.2 測(cè)量不確定度分析

2.2.1 振動(dòng)加速度幅值校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度

振動(dòng)加速度幅度校準(zhǔn)測(cè)量不確定度來(lái)源主要包括:振動(dòng)校準(zhǔn)裝置的加速度幅值測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量、重復(fù)多次測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量，以及周圍環(huán)境等引入的振動(dòng)加速度幅值測(cè)量不確定度分量。以下以10 g 為例對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行分析評(píng)定。

1)重復(fù)測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 振動(dòng)加速度為10 g，振動(dòng)頻率為60 Hz，重復(fù)獨(dú)立測(cè)量10 次，得到振動(dòng)加速度幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)為9.96，9.92，9.92，9.96，9.98，9.96，9.94，9.90，9.94，9.92 g。

代入貝塞爾公式計(jì)算本次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

計(jì)算得到A 類不確定度:uA=0.03 g

2)由振動(dòng)校準(zhǔn)裝置的加速度幅值測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量uB1

對(duì)于校準(zhǔn)裝置引入的測(cè)量不確定度分量，屬于B類測(cè)量不確定度分量。根據(jù)上級(jí)計(jì)量部門給出的檢定證書，校準(zhǔn)裝置的最大允許相對(duì)誤差為3%，最大允許絕對(duì)誤差為0.3 g。取半寬區(qū)間，為均勻分布，k =，則引入的測(cè)量不確定度分量為

3)周圍環(huán)境等引入的測(cè)量不確定度分量uB2

周圍環(huán)境等引入的測(cè)量不確定度分量無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估，設(shè)為uB2= 0.01 g。

4)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)以上引入各不確定度的因素獨(dú)立且不相關(guān)，則

5)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，則

擴(kuò)展不確定度U = k × uc= 0.35 g(k=2)，相對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度為3.5% (k=2)。

2.2.2 振動(dòng)頻率校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度

振動(dòng)頻率校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度主要來(lái)源:頻率計(jì)頻率測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量、重復(fù)多次測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量、電荷放大器DHF －2 和壓電傳感器YD－12 頻率響應(yīng)范圍引入的測(cè)量不確定度分量。以下以60 Hz 校準(zhǔn)點(diǎn)為例進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。

1)測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 振動(dòng)加速度為10 g，振動(dòng)頻率為60 Hz，重復(fù)獨(dú)立測(cè)量10 次，得到振動(dòng)頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別為60.40，60.26，60.38，60.40，60.26，60.32，60.29，60.44，60.47，60.26 Hz。

代入貝塞爾公式計(jì)算本次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

計(jì)算得到A 類不確定度:uA=0.08 Hz

2)由頻率計(jì)53131A 頻率測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量uB1

根據(jù)53131A 的技術(shù)手冊(cè)，53131A 的最大允許誤差為± 0.01%，校準(zhǔn)60 Hz 的最大允許絕對(duì)誤差為0.006 Hz。取半寬區(qū)間，為均勻分布，k =，則引入的測(cè)量不確定度分量為

3)由壓電傳感器和電荷放大器頻率響應(yīng)范圍引入的測(cè)量不確定度分量uB2

由于壓電傳感器的頻率響應(yīng)范圍為1 Hz ～10 kHz，電荷放大器的頻率響應(yīng)范圍為0.3 Hz ～100 kHz，這與被測(cè)頻率相差數(shù)個(gè)量級(jí)，因此由壓電傳感器和電荷放大器頻率范圍引起的測(cè)量不確定度分量可以忽略不計(jì)。

4)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)以上引入各不確定度的因素獨(dú)立且不相關(guān)，則

5)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，則

擴(kuò)展不確定度U = k ×uc= 0.18 Hz(k=2)，相對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度為0.3% (k=2)。

2.2.3 振動(dòng)時(shí)間的測(cè)量不確定度

振動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度主要來(lái)源:示波器時(shí)間間隔測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量、重復(fù)多次測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量。以下以3 s 校準(zhǔn)點(diǎn)為例進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。

1)測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 振動(dòng)加速度為10 g，振動(dòng)頻率為60 Hz，振動(dòng)時(shí)間為3 s。重復(fù)獨(dú)立測(cè)量振動(dòng)時(shí)間10 次，得到振動(dòng)時(shí)間校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別為3.02，3.00，2.99，2.99，3.01，3.00，3.01，2.99，3.00，3.01 s。

代入貝塞爾公式計(jì)算本次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

計(jì)算得到A 類不確定度:uA=0.01s

2)由示波器時(shí)間間隔測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量uB1

根據(jù)DPO4104B 的技術(shù)手冊(cè)，時(shí)間間隔測(cè)量的最大允許誤差為±1%，校準(zhǔn)3 s 的最大允許絕對(duì)誤差為0.03 s。取半寬區(qū)間為均勻分布，k =，則引入的測(cè)量不確定度分量為

3)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)以上引入各不確定度的因素獨(dú)立且不相關(guān)，則

4)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，則

擴(kuò)展不確定度U = k×uc≈0.05 s(k=2)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為1.7% (k=2)。

2.2.4 沖擊加速度幅值校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度

沖擊加速度幅度校準(zhǔn)測(cè)量不確定度來(lái)源主要包括:沖擊校準(zhǔn)裝置的加速度幅值測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量、重復(fù)多次測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量。以下以1000g 為例對(duì)測(cè)量不確定度進(jìn)行分析評(píng)定。

1)重復(fù)測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 沖擊加速度為1000g，重復(fù)獨(dú)立測(cè)量10次，得到?jīng)_擊加速度幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別為996，992，990，997，989，990，987，996，991，996 g。

代入貝塞爾公式計(jì)算本次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

計(jì)算得到A 類不確定度:uA=3.6 g

2)由沖擊校準(zhǔn)裝置的加速度幅值測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量uB1

根據(jù)上級(jí)計(jì)量部門給出的檢定證書，校準(zhǔn)裝置的最大允許相對(duì)誤差為5%，絕對(duì)最大允許誤差為50 g。取半寬區(qū)間，為均勻分布，，則引入的測(cè)量不確定度分量為

3)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)以上引入各不確定度的因素獨(dú)立且不相關(guān)，則

4)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，則

擴(kuò)展不確定度U = k × uc= 60 g(k=2)，相對(duì)擴(kuò)展測(cè)量不確定度為6% (k=2)。

2.2.5 沖擊脈寬校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度

沖擊脈寬校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度主要來(lái)源:示波器時(shí)間間隔測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量、由示波器電壓測(cè)量誤差引起的閾值不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量以及多次重復(fù)測(cè)量引入的測(cè)量不確定度分量。以下以1000 g 沖擊加速度脈寬為例進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定。

1)測(cè)量重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 沖擊加速度為1000 g，利用示波器重復(fù)獨(dú)立測(cè)量沖擊脈寬10 次，得到?jīng)_擊脈寬的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)分別 為103.6，104.2，103.6，104.9，103.6，105.2，106.0 ，105.7，104.0，107.4 μs 。

代入貝塞爾公式計(jì)算本次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差:

計(jì)算得到A 類不確定度:uA=1.3 μs

2)由示波器時(shí)間間隔測(cè)量不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量uB1

根據(jù)DPO4104B 的技術(shù)手冊(cè)，時(shí)間間隔測(cè)量的最大允許誤差為±1%，校準(zhǔn)104 μs 的最大允許絕對(duì)誤差為1.04 μs。取半寬區(qū)間為均勻分布，，則引入的測(cè)量不確定度分量為

3)由于示波器電壓測(cè)量誤差引起時(shí)間閾值不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量uB2

設(shè)沖擊脈沖上升沿的10%峰值處的斜率絕對(duì)值為k1，下降沿的10%峰值處的斜率絕對(duì)值為k2，根據(jù)波形可以估算k1=0.3 V/μs，k2=0.15 V/μs。由于示波器電壓測(cè)量最大允許誤差為± 1%，標(biāo)稱閾值電壓0.992V，故由上升沿和下降沿電壓閾值不準(zhǔn)引入的脈寬測(cè)量測(cè)量不確定度分量分別為

由于上升沿和下降沿的閾值測(cè)量相互獨(dú)立，因此由示波器電壓測(cè)量誤差引起的閾值不準(zhǔn)引入的測(cè)量不確定度分量為

4)計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

設(shè)以上引入各不確定度的因素獨(dú)立且不相關(guān)，則

5)擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取包含因子k=2，則

擴(kuò)展不確定度U = k×uc≈3μs(k=2)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為3% (k=2)。

3 結(jié)論

本文論述了粒子碰撞噪聲檢測(cè)儀關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)方法，并給出了校準(zhǔn)實(shí)例和測(cè)量不確定度的評(píng)定方法。對(duì)于解決粒子碰撞噪聲檢測(cè)儀的校準(zhǔn)和量值溯源問(wèn)題，具有一定借鑒作用。

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