粒子碰撞噪聲檢測儀校準(zhǔn)與測量不確定度評定

邢榮欣，李潔，趙昭，王酣

(中國電子技術(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PIND 試驗(yàn)的方法和流程作了明確規(guī)定。

PIND 的基本測試原理是: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STU 傳感器探測到該粒子噪聲，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):振動加速度幅值、振動頻率、振動時間、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 振動參數(shù)校準(zhǔn)

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

校準(zhǔn)方法:將校準(zhǔn)用壓電振動傳感器用專用雙面膠固定在被校PIND 的振動沖擊臺上。根據(jù)規(guī)程和客戶需求設(shè)定被校PIND 的振動加速度幅值和振動頻率(振動加速度一般選取5，10 ，20 g，振動頻率覆蓋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)算振動加速度幅值校準(zhǔn)值;利用頻率計(jì)，進(jìn)行振動頻率校準(zhǔn);設(shè)定PIND 振動時間，利用示波器進(jìn)行振動試驗(yàn)時間校準(zhǔn)。本文中，振動參數(shù)校準(zhǔn)選用的設(shè)備包括:YD－12 型壓電振動傳感器、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 的振動沖擊臺上。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45llL 型PIND測試系統(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 振動加速度幅值校準(zhǔn)

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

表2 振動加速度幅值校準(zhǔn)數(shù)據(jù) g

2.1.2 振動頻率校準(zhǔn)

對于振動頻率校準(zhǔn)，校準(zhǔn)點(diǎn)的選取應(yīng)包含GJB548和GJB128 要求的測量點(diǎn)，同時應(yīng)覆蓋最大和最小值。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 振動頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù) Hz

2.1.3 振動時間校準(zhǔn)

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

圖3 振動時間校準(zhǔn)波形(3s)

表4 振動頻率校準(zhǔn)數(shù)據(jù) s

2.1.4 沖擊加速度幅度校準(zhǔn)

對于沖擊加速度的校準(zhǔn)，選取1000 g，2000 g 兩個校準(zhǔn)點(diǎn)。由于沖擊臺在主沖擊峰后不會立刻靜止，后面還會有一些小的沖擊波形(如圖4)，因此在進(jìn)行沖擊校準(zhǔn)時，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 測量不確定度分析

2.2.1 振動加速度幅值校準(zhǔn)的測量不確定度

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

1)重復(fù)測量引入的測量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 振動加速度為10 g，振動頻率為60 Hz，重復(fù)獨(dú)立測量10 次，得到振動加速度幅值校準(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)由振動校準(zhǔn)裝置的加速度幅值測量不準(zhǔn)引入的測量不確定度分量uB1

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

3)周圍環(huán)境等引入的測量不確定度分量uB2

周圍環(huán)境等引入的測量不確定度分量無法準(zhǔn)確評估，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)，相對擴(kuò)展測量不確定度為3.5% (k=2)。

2.2.2 振動頻率校準(zhǔn)的測量不確定度

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

1)測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 振動加速度為10 g，振動頻率為60 Hz，重復(fù)獨(dú)立測量10 次，得到振動頻率校準(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 頻率測量不準(zhǔn)引入的測量不確定度分量uB1

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

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，這與被測頻率相差數(shù)個量級，因此由壓電傳感器和電荷放大器頻率范圍引起的測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)，相對擴(kuò)展測量不確定度為0.3% (k=2)。

2.2.3 振動時間的測量不確定度

振動時間校準(zhǔn)的測量不確定度主要來源:示波器時間間隔測量不準(zhǔn)引入的測量不確定度分量、重復(fù)多次測量引入的測量不確定度分量。以下以3 s 校準(zhǔn)點(diǎn)為例進(jìn)行測量不確定度的評定。

1)測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量uA

設(shè)定PIND 振動加速度為10 g，振動頻率為60 Hz，振動時間為3 s。重復(fù)獨(dú)立測量振動時間10 次，得到振動時間校準(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)由示波器時間間隔測量不準(zhǔn)引入的測量不確定度分量uB1

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

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)的測量不確定度

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

1)重復(fù)測量引入的測量不確定度分量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量不準(zhǔn)引入的測量不確定度分量uB1

根據(jù)上級計(jì)量部門給出的檢定證書，校準(zhǔn)裝置的最大允許相對誤差為5%，絕對最大允許誤差為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)，相對擴(kuò)展測量不確定度為6% (k=2)。

2.2.5 沖擊脈寬校準(zhǔn)的測量不確定度

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

1)測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量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)由示波器時間間隔測量不準(zhǔn)引入的測量不確定度分量uB1

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

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

設(shè)沖擊脈沖上升沿的10%峰值處的斜率絕對值為k1，下降沿的10%峰值處的斜率絕對值為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)引入的脈寬測量測量不確定度分量分別為

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

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)展不確定度評定

取包含因子k=2，則

擴(kuò)展不確定度U = k×uc≈3μs(k=2)，相對擴(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)例和測量不確定度的評定方法。對于解決粒子碰撞噪聲檢測儀的校準(zhǔn)和量值溯源問題，具有一定借鑒作用。

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