可變溫紅外探測(cè)器中測(cè)杜瓦設(shè)計(jì)

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(cè)是半導(dǎo)體產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過(guò)程中必不可少的一環(huán)[1]。紅外探測(cè)器芯片制備完成后,在進(jìn)行正式的組件封裝之前,需要對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,這個(gè)過(guò)程稱為芯片中測(cè)。

中測(cè)杜瓦能夠?yàn)榧t外探測(cè)器芯片提供真空環(huán)境,檢驗(yàn)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(jiàn)的低溫測(cè)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(diǎn)[2-3]。如圖1所示為傳統(tǒng)的中測(cè)液氮杜瓦,液氮注入杜瓦內(nèi)部,液氮通過(guò)冷指進(jìn)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(dá)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(zhǎng)波紅外探測(cè)器、高溫工作的研究逐步深入,對(duì)60 K、120 K等不同溫度下探測(cè)器芯片性能的測(cè)試需求越來(lái)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(cè)液氮杜瓦工作溫度的限制,滿足芯片的測(cè)試要求。

與傳統(tǒng)的中測(cè)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(yīng)冷量的制冷機(jī),通過(guò)高精度驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行溫度控制,可以在60～300 K等不同的溫度下進(jìn)行芯片性能測(cè)試。另外,將變溫杜瓦的框架部件設(shè)計(jì)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(cè)試,從而提高了芯片的封裝效率。

圖1 傳統(tǒng)中測(cè)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(cè)試需求,對(duì)應(yīng)不同規(guī)格的芯片,其冷屏及窗座結(jié)構(gòu)不同,但裝配過(guò)程及測(cè)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(shuō)明變溫杜瓦的結(jié)構(gòu)組成、特點(diǎn)及工作原理。

2.1 變溫杜瓦裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2(a)所示,為變溫杜瓦裝置的實(shí)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(guò)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(cè)試提供光學(xué)系統(tǒng)、電學(xué)引出等功能。

變溫杜瓦裝置的制作過(guò)程包括:零部件表面清洗、電鍍、高溫除氣等前期準(zhǔn)備工作。裝配過(guò)程中,將冷指與過(guò)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(duì)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(pán)、接插件焊盤(pán)聯(lián)通,再將冷屏部件對(duì)中,粘接在陶瓷框架部件表面,其作用是可以起到限制探測(cè)器視場(chǎng),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(diǎn)介紹

為了實(shí)現(xiàn)多種溫度條件下探測(cè)器芯片性能的測(cè)試,將變溫杜瓦的制冷接口設(shè)計(jì)為薄壁圓柱狀結(jié)構(gòu),可以適配相應(yīng)冷量的制冷機(jī),其通過(guò)法蘭將其與制冷機(jī)冷指耦合后,通過(guò)制冷機(jī)的冷指?jìng)鬏斃淞?對(duì)變溫杜瓦的冷頭部件進(jìn)行降溫,使芯片達(dá)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(jī)高精度驅(qū)動(dòng)控制器可進(jìn)行溫度控制,從而實(shí)現(xiàn)60～300 K等不同的溫度下進(jìn)行芯片性能測(cè)試。

傳統(tǒng)中測(cè)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(tái)面螺接。一體式框架的缺點(diǎn)在于,當(dāng)更換芯片時(shí),需要將框架整體從中測(cè)液氮杜瓦取出,利用溶劑浸潤(rùn)芯片與框架,耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng),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(fù)鍵合引線,耗時(shí)較長(zhǎng),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(xué)引出框架、芯片襯底和結(jié)構(gòu)件,其中結(jié)構(gòu)件設(shè)有4組沉頭螺母,芯片襯底設(shè)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(shè)計(jì)不同類型的芯片襯底,裝配時(shí),首先利用粘膠工藝將電學(xué)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(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于,當(dāng)芯片性能測(cè)試完成后,更換芯片時(shí),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(shí)間,另外,因?yàn)殡妼W(xué)引出框架沒(méi)有拆卸,故其與接插件焊盤(pán)的引線固定不動(dòng)。更換芯片時(shí),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(guò)更換芯片襯底即可實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格芯片的性能測(cè)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(jī)裝配圖。變溫杜瓦為芯片測(cè)試提供密閉條件,但在測(cè)試前需使其達(dá)到一定的真空度。變溫杜瓦窗座上焊有排氣管,測(cè)試開(kāi)始前,通過(guò)排氣閥將排氣管與高真空抽氣泵連接,對(duì)杜瓦內(nèi)部抽真空,待變溫杜瓦內(nèi)部真空度達(dá)到2 Pa后,便可啟動(dòng)制冷機(jī)。

圖4 變溫杜瓦與制冷機(jī)裝配圖

變溫杜瓦的芯片粘接襯底上裝有多組測(cè)溫二極管,可實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片區(qū)域的溫度,當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器會(huì)維持溫度值,便可開(kāi)始測(cè)試芯片的性能。

3 變溫杜瓦性能的試驗(yàn)測(cè)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(jī),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(cè)芯片粘接區(qū)域的溫度變化,其中2號(hào)二級(jí)管用于制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)反饋。試驗(yàn)測(cè)試溫度為60 K,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),首先對(duì)杜瓦抽真空,待變溫杜瓦內(nèi)部真空度達(dá)到2 Pa后,啟動(dòng)制冷機(jī)制冷,同步采集6只二極管的數(shù)值,當(dāng)觀察到數(shù)值變化趨于穩(wěn)定后,停止試驗(yàn)。

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(shí)間變化的曲線圖。試驗(yàn)共進(jìn)行了26 min,隨著制冷時(shí)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(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)在17 min左右,通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以觀察到從18 min開(kāi)始二極管的幅值穩(wěn)定在1.084 V,對(duì)應(yīng)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(yàn)數(shù)據(jù)表

(續(xù)表)

取18 min到26 min時(shí)間段,可對(duì)比得出,5只二極管數(shù)值中,6號(hào)二極管的幅值是最小的,4號(hào)二極管的幅值是最大的,對(duì)6號(hào)與4號(hào)二極管的9組數(shù)據(jù)做差求平均,結(jié)果為0.92 mV,對(duì)應(yīng)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(jī),采用活真空的形式。此次試驗(yàn)在變溫杜瓦芯片襯底上粘接芯片,有兩組二極管監(jiān)測(cè)芯片粘接區(qū)域的溫度變化,其中1組二級(jí)管用于制冷機(jī)的驅(qū)動(dòng)反饋。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),首先對(duì)杜瓦抽真空,待變溫杜瓦內(nèi)部真空度達(dá)到2 Pa后,啟動(dòng)制冷機(jī)制冷,同步采集二極管的數(shù)值,當(dāng)溫度達(dá)到50 K時(shí),給電路通電,當(dāng)觀察到數(shù)值變化趨于穩(wěn)定后,停止試驗(yàn)。

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

圖7 二極管數(shù)值變化曲線圖

見(jiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表2所示,16 min時(shí),二極管的測(cè)試值為1.1105 V,根據(jù)二極管標(biāo)定數(shù)值表,對(duì)應(yīng)50.19 K,從第16 min開(kāi)始給電路加電,二級(jí)管幅值開(kāi)始降低,經(jīng)過(guò)10 min測(cè)試值變?yōu)?.1066 V,對(duì)應(yīng)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(xiàng)目使用要求。

表2 二極管試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié) 論

本文介紹了一種可實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度條件下連續(xù)測(cè)試芯片性能的中測(cè)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(cè)杜瓦進(jìn)行了對(duì)比,分析了本款中測(cè)變溫杜瓦的優(yōu)勢(shì),形成了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

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

(2)相對(duì)傳統(tǒng)的中測(cè)液氮杜瓦,變溫杜瓦采用了分體式陶瓷框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(xiàng)目使用要求。