可變溫紅外探測器中測杜瓦設計

2021-02-07 12:52:50范博文李金健付志凱

激光與紅外 2021年1期

閆杰,范博文,李金健,付志凱,張磊

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引言

芯片中測是半導體產品實現過程中必不可少的一環[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境,檢驗芯片是否能夠實現既定功能,為最終產品的質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,這些低溫液體的特殊性質,決定了低溫貯罐的結構特點[2-3]。如圖1所示為傳統的中測液氮杜瓦,液氮注入杜瓦內部,液氮通過冷指進入冷頭,杜瓦內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的快速發展,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且控溫穩定性優良的變溫杜瓦,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構,可以兼容多種規格的芯片性能測試,從而提高了芯片的封裝效率。

圖1 傳統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格的芯片性能測試需求,對應不同規格的芯片,其冷屏及窗座結構不同,但裝配過程及測試原理均一致,在此以芯片規格為320×256的變溫杜瓦為例,說明變溫杜瓦的結構組成、特點及工作原理。

2.1 變溫杜瓦裝置的結構設計

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構組成圖。其外部結構包括窗座部件、外殼部件、冷指、接插件等,內部結構包括芯片、電路、冷屏部件、陶瓷框架部件等。外部結構通過焊接、粘接、壓封等工藝形成密閉空間,內部結構則為芯片測試提供光學系統、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構件端面,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、密閉的結構。

2.2 變溫杜瓦置的特點介紹

為了實現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構,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下制冷機高精度驅動控制器可進行溫度控制,從而實現60～300 K等不同的溫度下進行芯片性能測試。

傳統中測液氮杜瓦的框架部件為一體式結構,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構,如圖3所示,為變溫杜瓦的框架部件結構圖,包含電學引出框架、芯片襯底和結構件,其中結構件設有4組沉頭螺母,芯片襯底設有4組通孔。根據芯片規格以及引出的管腳數量,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構件固定,然后利用螺釘將芯片襯底與框架固定。

圖3 分體式框架結構

這種分體式框架設計的優勢在于,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引線,從而可以減少引線鍵合次數,提高封裝效率。另外,通過更換芯片襯底即可實現多種規格芯片的性能測試,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,對杜瓦內部抽真空,待變溫杜瓦內部真空度達到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,可實時監控芯片區域的溫度,當溫度達到預設值時,制冷機驅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,監測芯片粘接區域的溫度變化,其中2號二級管用于制冷機的驅動反饋。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只二極管的數值,當觀察到數值變化趨于穩定后,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先增大后趨于穩定的趨勢,轉折點在17 min左右,通過試驗數據可以觀察到從18 min開始二極管的幅值穩定在1.084 V,對應為60 K,具體數據如表1所示。

圖6 二極管數值變化曲線圖

表1 二極管試驗數據表

(續表)

取18 min到26 min時間段,可對比得出,5只二極管數值中,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組數據做差求平均,結果為0.92 mV,對應變化了0.6 K,因此變溫杜瓦芯片襯底區域的溫度均勻性為0.6 K。

3.2 變溫杜瓦控溫穩定性分析

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,有兩組二極管監測芯片粘接區域的溫度變化,其中1組二級管用于制冷機的驅動反饋。實驗開始時,首先對杜瓦抽真空,待變溫杜瓦內部真空度達到2 Pa后,啟動制冷機制冷,同步采集二極管的數值,當溫度達到50 K時,給電路通電,當觀察到數值變化趨于穩定后,停止試驗。

如圖7所示,為二極管數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為轉折點,二極管的幅值呈先增大后減小的趨勢。

圖7 二極管數值變化曲線圖

見試驗數據表2所示,16 min時,二極管的測試值為1.1105 V,根據二極管標定數值表,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,經過10 min測試值變為1.1066 V,對應50.88 K,變化了0.69 K,代表變溫杜瓦裝置的控溫穩定性為0.69 K,能夠滿足控溫穩定性在±3 K內的項目使用要求。