閆 杰,范博文,李金健,付志凱,張 磊

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

芯片中測是半導體產(chǎn)品實現(xiàn)過程中必不可少的一環(huán)[1]。紅外探測器芯片制備完成后,在進行正式的組件封裝之前,需要對其電學性能進行測試,這個過程稱為芯片中測。

中測杜瓦能夠為紅外探測器芯片提供真空環(huán)境,檢驗芯片是否能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能,為最終產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性提供一種度量。液氮、液氦、液氬都是比較常見的低溫測試工質(zhì),這些低溫液體的特殊性質(zhì),決定了低溫貯罐的結(jié)構(gòu)特點[2-3]。如圖1所示為傳統(tǒng)的中測液氮杜瓦,液氮注入杜瓦內(nèi)部,液氮通過冷指進入冷頭,杜瓦內(nèi)部的真空夾層和絕熱層起到絕熱作用,使芯片達到77 K工作溫度。

隨著紅外焦平面技術(shù)的快速發(fā)展,尤其是甚長波紅外探測器、高溫工作的研究逐步深入,對60 K、120 K等不同溫度下探測器芯片性能的測試需求越來越迫切。因此需要一種溫度可調(diào)且控溫穩(wěn)定性優(yōu)良的變溫杜瓦,突破中測液氮杜瓦工作溫度的限制,滿足芯片的測試要求。

與傳統(tǒng)的中測液氮杜瓦相比,變溫杜瓦體積較小,采用活真空的形式,其制冷接口可以適配相應冷量的制冷機,通過高精度驅(qū)動控制器進行溫度控制,可以在60～300 K等不同的溫度下進行芯片性能測試。另外,將變溫杜瓦的框架部件設計為分體式可拆卸結(jié)構(gòu),可以兼容多種規(guī)格的芯片性能測試,從而提高了芯片的封裝效率。

圖1 傳統(tǒng)中測液氮杜瓦模型示意圖

2 變溫杜瓦裝置介紹

變溫杜瓦可兼容多種規(guī)格的芯片性能測試需求,對應不同規(guī)格的芯片,其冷屏及窗座結(jié)構(gòu)不同,但裝配過程及測試原理均一致,在此以芯片規(guī)格為320×256的變溫杜瓦為例,說明變溫杜瓦的結(jié)構(gòu)組成、特點及工作原理。

2.1 變溫杜瓦裝置的結(jié)構(gòu)設計

如圖2(a)所示,為變溫杜瓦裝置的實物圖,圖2(b)所示,為變溫杜瓦裝置的結(jié)構(gòu)組成圖。其外部結(jié)構(gòu)包括窗座部件、外殼部件、冷指、接插件等,內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括芯片、電路、冷屏部件、陶瓷框架部件等。外部結(jié)構(gòu)通過焊接、粘接、壓封等工藝形成密閉空間,內(nèi)部結(jié)構(gòu)則為芯片測試提供光學系統(tǒng)、電學引出等功能。

變溫杜瓦裝置的制作過程包括:零部件表面清洗、電鍍、高溫除氣等前期準備工作。裝配過程中,將冷指與過渡環(huán)釬焊后,與外殼部件激光焊接組成杜瓦半成品,將芯片與陶瓷框架部件粘接后,整體對中粘接在陶瓷結(jié)構(gòu)件端面,另外采用引線鍵合工藝將芯片電路、框架焊盤、接插件焊盤聯(lián)通,再將冷屏部件對中,粘接在陶瓷框架部件表面,其作用是可以起到限制探測器視場,消除雜散輻射的作用。最終,使用螺釘及膠圈壓封窗座部件與杜瓦半成品使其形成完整、密閉的結(jié)構(gòu)。

2.2 變溫杜瓦置的特點介紹

為了實現(xiàn)多種溫度條件下探測器芯片性能的測試,將變溫杜瓦的制冷接口設計為薄壁圓柱狀結(jié)構(gòu),可以適配相應冷量的制冷機,其通過法蘭將其與制冷機冷指耦合后,通過制冷機的冷指傳輸冷量,對變溫杜瓦的冷頭部件進行降溫,使芯片達到工作溫度。利用變溫杜瓦裝置的高真空度狀態(tài)下制冷機高精度驅(qū)動控制器可進行溫度控制,從而實現(xiàn)60～300 K等不同的溫度下進行芯片性能測試。

傳統(tǒng)中測液氮杜瓦的框架部件為一體式結(jié)構(gòu),框架與液氮杜瓦冷臺面螺接。一體式框架的缺點在于,當更換芯片時,需要將框架整體從中測液氮杜瓦取出,利用溶劑浸潤芯片與框架,耗費時間較長,并且需要破壞與重新鍵合讀出電路與框架、框架與杜瓦間的金絲。因此每次更換芯片,需要反復鍵合引線,耗時較長,效率較低。

變溫杜瓦的框架部件為分體式結(jié)構(gòu),如圖3所示,為變溫杜瓦的框架部件結(jié)構(gòu)圖,包含電學引出框架、芯片襯底和結(jié)構(gòu)件,其中結(jié)構(gòu)件設有4組沉頭螺母,芯片襯底設有4組通孔。根據(jù)芯片規(guī)格以及引出的管腳數(shù)量,可以設計不同類型的芯片襯底,裝配時,首先利用粘膠工藝將電學引出框架與結(jié)構(gòu)件固定,然后利用螺釘將芯片襯底與框架固定。

圖3 分體式框架結(jié)構(gòu)

這種分體式框架設計的優(yōu)勢在于,當芯片性能測試完成后,更換芯片時,只需要更換芯片襯底即可,從而節(jié)約芯片剝離框架的浸泡工藝時間,另外,因為電學引出框架沒有拆卸,故其與接插件焊盤的引線固定不動。更換芯片時,只需破壞和重新鍵合框架與讀出電路之間的內(nèi)引線,從而可以減少引線鍵合次數(shù),提高封裝效率。另外,通過更換芯片襯底即可實現(xiàn)多種規(guī)格芯片的性能測試,提高了變溫杜瓦裝置的使用兼容性。

2.3 變溫杜瓦的工作原理

如圖4所示,為變溫杜瓦與制冷機裝配圖。變溫杜瓦為芯片測試提供密閉條件,但在測試前需使其達到一定的真空度。變溫杜瓦窗座上焊有排氣管,測試開始前,通過排氣閥將排氣管與高真空抽氣泵連接,對杜瓦內(nèi)部抽真空,待變溫杜瓦內(nèi)部真空度達到2 Pa后,便可啟動制冷機。

圖4 變溫杜瓦與制冷機裝配圖

變溫杜瓦的芯片粘接襯底上裝有多組測溫二極管,可實時監(jiān)控芯片區(qū)域的溫度,當溫度達到預設值時,制冷機驅(qū)動控制器會維持溫度值,便可開始測試芯片的性能。

3 變溫杜瓦性能的試驗測試

3.1 變溫杜瓦芯片襯底區(qū)域溫度均勻性分析

采用如圖4所示的裝置,變溫杜瓦耦合9320接口的5 W制冷機,采用活真空的形式。如圖5所示,為二極管分布示意圖,變溫杜瓦芯片襯底上布置6只二極管,監(jiān)測芯片粘接區(qū)域的溫度變化,其中2號二級管用于制冷機的驅(qū)動反饋。試驗測試溫度為60 K,實驗開始時,首先對杜瓦抽真空,待變溫杜瓦內(nèi)部真空度達到2 Pa后,啟動制冷機制冷,同步采集6只二極管的數(shù)值,當觀察到數(shù)值變化趨于穩(wěn)定后,停止試驗。

圖5 二極管分布示意圖

如圖6所示,為5只二極管數(shù)值隨時間變化的曲線圖。試驗共進行了26 min,隨著制冷時間增加,5只二極管的幅值呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢,轉(zhuǎn)折點在17 min左右,通過試驗數(shù)據(jù)可以觀察到從18 min開始二極管的幅值穩(wěn)定在1.084 V,對應為60 K,具體數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6 二極管數(shù)值變化曲線圖

表1 二極管試驗數(shù)據(jù)表

(續(xù)表)

取18 min到26 min時間段,可對比得出,5只二極管數(shù)值中,6號二極管的幅值是最小的,4號二極管的幅值是最大的,對6號與4號二極管的9組數(shù)據(jù)做差求平均,結(jié)果為0.92 mV,對應變化了0.6 K,因此變溫杜瓦芯片襯底區(qū)域的溫度均勻性為0.6 K。

3.2 變溫杜瓦控溫穩(wěn)定性分析

采用如圖4所示的裝置,變溫杜瓦耦合9320接口的5 W制冷機,采用活真空的形式。此次試驗在變溫杜瓦芯片襯底上粘接芯片,有兩組二極管監(jiān)測芯片粘接區(qū)域的溫度變化,其中1組二級管用于制冷機的驅(qū)動反饋。實驗開始時,首先對杜瓦抽真空,待變溫杜瓦內(nèi)部真空度達到2 Pa后,啟動制冷機制冷,同步采集二極管的數(shù)值,當溫度達到50 K時,給電路通電,當觀察到數(shù)值變化趨于穩(wěn)定后,停止試驗。

如圖7所示,為二極管數(shù)值隨時間的變化曲線圖。試驗共進行了26 min,第16 min時,給電路通電。反應在曲線圖上,16 min為轉(zhuǎn)折點,二極管的幅值呈先增大后減小的趨勢。

圖7 二極管數(shù)值變化曲線圖

見試驗數(shù)據(jù)表2所示,16 min時,二極管的測試值為1.1105 V,根據(jù)二極管標定數(shù)值表,對應50.19 K,從第16 min開始給電路加電,二級管幅值開始降低,經(jīng)過10 min測試值變?yōu)?.1066 V,對應50.88 K,變化了0.69 K,代表變溫杜瓦裝置的控溫穩(wěn)定性為0.69 K,能夠滿足控溫穩(wěn)定性在±3 K內(nèi)的項目使用要求。

表2 二極管試驗數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

本文介紹了一種可實現(xiàn)多個溫度條件下連續(xù)測試芯片性能的中測變溫杜瓦結(jié)構(gòu),結(jié)合杜瓦的結(jié)構(gòu)和裝配工藝,與傳統(tǒng)的液氮中測杜瓦進行了對比,分析了本款中測變溫杜瓦的優(yōu)勢,形成了以下幾點結(jié)論:

(1)本款變溫杜瓦可以滿足60～300 K溫度范圍內(nèi),測試探測器芯片性能的迫切需求。

(2)相對傳統(tǒng)的中測液氮杜瓦,變溫杜瓦采用了分體式陶瓷框架的結(jié)構(gòu)設計,有效地提高了芯片性能的封裝效率以及變溫杜瓦的使用兼容性。

(3)通過試驗驗證,未裝芯片的情況下,變溫杜瓦芯片襯底區(qū)域溫度均勻性分析為0.6 K,在裝入芯片且加電10 min內(nèi),變溫杜瓦控溫穩(wěn)定性為0.69 K,能夠滿足控溫穩(wěn)定性在±3 K內(nèi)的項目使用要求。