朱文鵬，陳 楊，柯瓊?cè)?/p>

（1.西安西谷微電子有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077；2.廣州市科唯儀器有限公司，廣東 廣州 510000）

粒子碰撞噪聲檢測(cè) （PIND）應(yīng)用范圍非常廣，其有著非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)變化時(shí)，也會(huì)對(duì)其檢測(cè)結(jié)果帶來一定的影響。因此，需要對(duì)PIND相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)變更帶來的影響進(jìn)行明確。而美國在相關(guān)領(lǐng)域的研究一直都是處于領(lǐng)先地位，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以為國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的改善提供借鑒。

1 粒子碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)原理和應(yīng)用

粒子碰撞噪聲檢測(cè)其原理是利用振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生一系列指定的機(jī)械沖擊和振動(dòng)，通過沖擊使被束縛在產(chǎn)品中的顆粒（即多余物）松動(dòng)，再通過一定頻率的振動(dòng)，使多余物在系統(tǒng)元件內(nèi)部產(chǎn)生隨機(jī)的位移，碰撞到元件內(nèi)腔的腔壁或者底座上，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力彈性波和聲波。聲波經(jīng)封蓋傳播至PIND傳感器耐磨板（試樣安裝面）并使之產(chǎn)生輕微形變，耐磨板的變形會(huì)引起與之緊貼的壓電晶體被壓縮，壓電晶體因而輸出電壓信號(hào)。輸出電壓信號(hào)被定義為位移信號(hào)。經(jīng)前置放大器放大，位移信號(hào)由檢測(cè)裝置的主機(jī)采集、處理并顯示。檢測(cè)人員可以依據(jù)顯示的信號(hào)波形判定出信號(hào)性質(zhì)，以此得出檢測(cè)結(jié)論。

2 標(biāo)準(zhǔn)變更的比對(duì)

2.1 GJB548《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中粒子碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)的歷史演變及變更

2.1.1 歷史版本與美軍標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系

①GJB548-88方法2020依據(jù)美軍標(biāo)MILSTD-883C為藍(lán)本；②GJB548A-96方法2020A依據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-883D為藍(lán)本；③GJB548B-2005方法2020.1依據(jù)美軍標(biāo)MILSTD-883E為藍(lán)本；④GJB548C-2021方法2020.2依據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-883K為藍(lán)本，MIL-STD-883L于2019年09月16日替代MIL-STD-883K。

2.1.2 GJB548C與MIL-STD-883K/L中關(guān)于PIND試驗(yàn)的主要區(qū)別

①M(fèi)IL-STD-883K/L明確規(guī)定，禁止批量或一次對(duì)多只樣品進(jìn)行試驗(yàn)；②GJB548C增加了不允許對(duì)超過傳感器托盤直徑的大型器件進(jìn)行試驗(yàn)的規(guī)定；③GJB548C增加條件B的計(jì)算公式和最小頻率要求；④GJB548C-2021方法2020.2條件A和條件B，依據(jù)MIL-STD- 883K中公式（1）轉(zhuǎn)換而來，公式如下：

條件A：20是此應(yīng)用中的常數(shù)，等于20 g的正弦加速度。

條件B：10是此應(yīng)用中的常數(shù)，等于10 g的正弦加速度。

D=平均內(nèi)部封裝高度（以英寸為單位）。

0.051 1為固定系數(shù)（以英寸為單位），轉(zhuǎn)換以毫米為單位，固定系數(shù)為0.019 7。

⑤GJB548C腔高為最大自由活動(dòng)腔高，美軍標(biāo)MIL-STD-883K/L的腔高為內(nèi)腔的平均高度。通過中美歷史軍標(biāo)對(duì)比分析，且同國內(nèi)外元器件生產(chǎn)廠家PIND試驗(yàn)應(yīng)用分析，同一封裝一定數(shù)量器件內(nèi)腔高度存在公差，封裝內(nèi)腔的平均高度描述更為準(zhǔn)確。

2.2 GJB128《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》中粒子碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)的歷史演變及變更

2.2.1 歷史版本與美軍標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系

①GJB128-86方法2052依據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-750C為藍(lán)本；②GJB128A-97方法2052依據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-750D為藍(lán)本；③GJB128B-2021方法2052依據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-750F為藍(lán)本。

2.2.2 GJB128B與MIL-STD-750E中關(guān)于PIND試驗(yàn)的主要區(qū)別

①M(fèi)IL-STD-750E，閾值（20±1）mV更改為（15±1）mV，GJB128B閾值依舊為（20±1） mV；②MIL-STD-750F明確了：腔體高度＜0.58 mm的器件，振動(dòng)頻率=130 Hz；腔體高度＞6.35 mm的器件，振動(dòng)頻率=40 Hz；③GJB128B-2021規(guī)定振動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)頻率（f）與外殼內(nèi)腔高度的關(guān)系公式（1）限于40Hz～130 Hz頻率范圍內(nèi)使用。

2.3 GJB65《有可靠性指標(biāo)的電磁繼電器總規(guī)范》附錄B《粒子碰撞噪聲檢測(cè)》的歷史演變及變更

①GJB65-85附錄B依據(jù)美軍標(biāo)MIL-PRF-39016C為藍(lán)本；②GJB65A-91附錄B依據(jù)美軍標(biāo)MIL- PRF -39016D為藍(lán)本；③GJB65B-1999附錄B依據(jù)美軍標(biāo)MIL- PRF -39016E為藍(lán)本；④GJB65C-2021附錄B依據(jù)美軍標(biāo)MIL- PRF-39016F后期版本。

注：美軍標(biāo)MIL- PRF -39016F將“3.27”微粒碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)全部?jī)?nèi)容刪去，同時(shí)將“附錄B”的內(nèi)容也刪除。且后期版本無PIND試驗(yàn)的說明。MIL-PRF-6106P電磁繼電器通用規(guī)范，也無PIND試驗(yàn)的說明。但沒有其他試驗(yàn)可替代PIND試驗(yàn)。美國三大繼電器制造商，依舊依據(jù)美軍標(biāo)MIL- PRF -39016E或根據(jù)產(chǎn)品特性，自定義PIND的試驗(yàn)條件和方法。

2.3.1 GJB65C相比較GJB65B增加項(xiàng)

（1）明確失效模式。①存在粒子；表示器件內(nèi)部存在粒子；②機(jī)械噪聲過大；表示同步機(jī)械波過大，可能掩蓋粒子波形。

（2）自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的要求。自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的要求，采樣頻率至少達(dá)到500 kHz；同步采集兩路信號(hào)，采集數(shù)據(jù)時(shí)間不少于30 s。自動(dòng)檢測(cè)分析軟件包含：試驗(yàn)條件設(shè)定、試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析判斷、試驗(yàn)波形回放、試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理等，自動(dòng)分析軟件可自動(dòng)給出PIND檢測(cè)結(jié)果。

（3）失效判據(jù)增加自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，“動(dòng)態(tài)波形”代替“示波器”監(jiān)測(cè)。增加動(dòng)態(tài)波形圖。

2.3.2 GJB65C試驗(yàn)條件A/B程序順序說明

GJB65-85，GJB65A-91，GJB65B-1999，GJB65C-2021對(duì)應(yīng)的美軍標(biāo)MIL-R-39016C/D/E/F/H/J系列，美軍標(biāo)MIL-R-39016C/D/E/F/H/J系列編寫參考美國BW公司和美國SD公司設(shè)備，BW公司與SD公司PIND設(shè)備有一定的不同點(diǎn)，區(qū)別是BW公司設(shè)備含有預(yù)沖擊功能裝置，而SD公司無預(yù)沖擊功能裝置。（國產(chǎn)PIND設(shè)備，多以仿制SD公司設(shè)備為主）。故GJB65C試驗(yàn)條件A/B程序順序不能依據(jù)字面描述，需了解軍標(biāo)的出處和設(shè)備的原理，GJB65-85，GJB65A-91，GJB65B-1999， GJB65C-2021都有關(guān)于預(yù)沖擊的說明，以GJB65C-2021為例，GJB65C-2021-3.5-c）如果在附加沖擊試驗(yàn)前或其后5s之內(nèi)無粒子指示，該繼電器應(yīng)接受。當(dāng)采用預(yù)沖擊代替附加沖擊試驗(yàn)時(shí)，在10 s的振動(dòng)過程中，不應(yīng)該有粒子顯示。

正確的GJB65C試驗(yàn)條件A/B程序順序如下：（限SD公司、哈工大、成都頻德PIND設(shè)備，BW公司PIND設(shè)備不適用）。

3 行業(yè)內(nèi)關(guān)于條件B的異議

美軍標(biāo)MIL-STD-750，MIL-STD-883均未明確說明條件B，關(guān)于平均腔高和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。GJB128B和GJB548C試驗(yàn)條件B都面臨同樣的問題。行業(yè)內(nèi)有兩種不同的觀點(diǎn)。

3.1 關(guān)于條件B的兩種不同觀點(diǎn)

觀點(diǎn)一：早期觀點(diǎn)，不確定器件腔體高度的情況下，使用固定頻率，對(duì)應(yīng)條件B，（10 g，60 Hz）。例如：QJ2863-96《航天用電子元器件顆粒碰撞噪聲檢測(cè)要求和方法》-方法100-3.3.1試驗(yàn)條件。

觀點(diǎn)二：條件B關(guān)于平均腔高和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)條件A平均腔高和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只是振動(dòng)加速度為調(diào)整10 g。

3.2 支持觀點(diǎn)二的兩點(diǎn)依據(jù)

（1）粒子輸出噪聲電壓（Vout）與試驗(yàn)頻率呈負(fù)相關(guān)，試驗(yàn)頻率越大，輸出電壓越小，且質(zhì)量越大的粒子，其噪聲電壓隨試驗(yàn)頻率的增加而減小的幅度就越快。如下圖1。

圖1 粒子輸出噪聲電壓 ( Vout) 與試驗(yàn)頻率關(guān)系

（2）器件中心位置與傳感器中心位置越遠(yuǎn)，位移信號(hào)的傳輸出路徑就越長(zhǎng)，信號(hào)傳遞率就降低。國內(nèi)外PIND設(shè)備見表1。

表1 國內(nèi)外PIND設(shè)備

4 結(jié)論

GJB548A/B/C、GJB128A/B所有同條件A公式推導(dǎo)出腔高和頻率的關(guān)系，都是假設(shè)所有的粒子都精確地沿著振動(dòng)篩選預(yù)定軸向運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，通過將頻率與內(nèi)腔位移相匹配，理論上從傳感器獲得最大位移信號(hào)。但事實(shí)上，大多數(shù)粒子在空腔中是沿著對(duì)角線運(yùn)動(dòng)，從而延長(zhǎng)了運(yùn)動(dòng)路徑，故條件A這個(gè)公式基本上是基于理論，有一定程度的漏判比例。而條件B在美軍標(biāo)中有所說明，是由德州儀器公司（TI）發(fā)起的增加項(xiàng)，基于數(shù)百萬次試驗(yàn)的試驗(yàn)總結(jié)，能最大限度判定不同封裝的足夠質(zhì)量的內(nèi)部微粒的碰撞噪聲存在。現(xiàn)沒有任何研究表明，試驗(yàn)條件A與B在準(zhǔn)確度上的優(yōu)劣性。國際上最新的理念，是基于全新的數(shù)字化系統(tǒng)，創(chuàng)建一個(gè)更新的、更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，包含隨機(jī)沖擊和正弦振動(dòng)，把所有類型的運(yùn)動(dòng)模糊混在一起，利用PIND設(shè)備，為每個(gè)封裝的元器件編寫適合自己或者專屬程序，最大化篩查出多余物。