PIND相關標準變更的影響及其應用的討論

朱文鵬，陳 楊，柯瓊瑞

（1.西安西谷微電子有限責任公司，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 （PIND）應用范圍非常廣，其有著非常嚴格的標準。而當相關標準出現變化時，也會對其檢測結果帶來一定的影響。因此，需要對PIND相關標準變更帶來的影響進行明確。而美國在相關領域的研究一直都是處于領先地位，其相關標準可以為國內標準的改善提供借鑒。

1 粒子碰撞噪聲檢測試驗原理和應用

粒子碰撞噪聲檢測其原理是利用振動臺產生一系列指定的機械沖擊和振動，通過沖擊使被束縛在產品中的顆粒（即多余物）松動，再通過一定頻率的振動，使多余物在系統元件內部產生隨機的位移，碰撞到元件內腔的腔壁或者底座上，就會產生應力彈性波和聲波。聲波經封蓋傳播至PIND傳感器耐磨板（試樣安裝面）并使之產生輕微形變，耐磨板的變形會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。輸出電壓信號被定義為位移信號。經前置放大器放大，位移信號由檢測裝置的主機采集、處理并顯示。檢測人員可以依據顯示的信號波形判定出信號性質，以此得出檢測結論。

2 標準變更的比對

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

2.1.1 歷史版本與美軍標對應關系

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

2.1.2 GJB548C與MIL-STD-883K/L中關于PIND試驗的主要區別

①MIL-STD-883K/L明確規定，禁止批量或一次對多只樣品進行試驗；②GJB548C增加了不允許對超過傳感器托盤直徑的大型器件進行試驗的規定；③GJB548C增加條件B的計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MIL-STD- 883K中公式（1）轉換而來，公式如下：

條件A：20是此應用中的常數，等于20 g的正弦加速度。

條件B：10是此應用中的常數，等于10 g的正弦加速度。

D=平均內部封裝高度（以英寸為單位）。

0.051 1為固定系數（以英寸為單位），轉換以毫米為單位，固定系數為0.019 7。

⑤GJB548C腔高為最大自由活動腔高，美軍標MIL-STD-883K/L的腔高為內腔的平均高度。通過中美歷史軍標對比分析，且同國內外元器件生產廠家PIND試驗應用分析，同一封裝一定數量器件內腔高度存在公差，封裝內腔的平均高度描述更為準確。

2.2 GJB128《半導體分立器件試驗方法》中粒子碰撞噪聲檢測試驗的歷史演變及變更

2.2.1 歷史版本與美軍標對應關系

①GJB128-86方法2052依據美軍標MIL-STD-750C為藍本；②GJB128A-97方法2052依據美軍標MIL-STD-750D為藍本；③GJB128B-2021方法2052依據美軍標MIL-STD-750F為藍本。

2.2.2 GJB128B與MIL-STD-750E中關于PIND試驗的主要區別

①MIL-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，振動頻率=130 Hz；腔體高度＞6.35 mm的器件，振動頻率=40 Hz；③GJB128B-2021規定振動機驅動頻率（f）與外殼內腔高度的關系公式（1）限于40Hz～130 Hz頻率范圍內使用。

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

①GJB65-85附錄B依據美軍標MIL-PRF-39016C為藍本；②GJB65A-91附錄B依據美軍標MIL- PRF -39016D為藍本；③GJB65B-1999附錄B依據美軍標MIL- PRF -39016E為藍本；④GJB65C-2021附錄B依據美軍標MIL- PRF-39016F后期版本。

注：美軍標MIL- PRF -39016F將“3.27”微粒碰撞噪聲檢測試驗全部內容刪去，同時將“附錄B”的內容也刪除。且后期版本無PIND試驗的說明。MIL-PRF-6106P電磁繼電器通用規范，也無PIND試驗的說明。但沒有其他試驗可替代PIND試驗。美國三大繼電器制造商，依舊依據美軍標MIL- PRF -39016E或根據產品特性，自定義PIND的試驗條件和方法。

2.3.1 GJB65C相比較GJB65B增加項

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

（2）自動化檢測系統的要求。自動化檢測系統的要求，采樣頻率至少達到500 kHz；同步采集兩路信號，采集數據時間不少于30 s。自動檢測分析軟件包含：試驗條件設定、試驗數據存儲、試驗數據自動分析判斷、試驗波形回放、試驗數據管理等，自動分析軟件可自動給出PIND檢測結果。

（3）失效判據增加自動檢測系統，“動態波形”代替“示波器”監測。增加動態波形圖。

2.3.2 GJB65C試驗條件A/B程序順序說明

GJB65-85，GJB65A-91，GJB65B-1999，GJB65C-2021對應的美軍標MIL-R-39016C/D/E/F/H/J系列，美軍標MIL-R-39016C/D/E/F/H/J系列編寫參考美國BW公司和美國SD公司設備，BW公司與SD公司PIND設備有一定的不同點，區別是BW公司設備含有預沖擊功能裝置，而SD公司無預沖擊功能裝置。（國產PIND設備，多以仿制SD公司設備為主）。故GJB65C試驗條件A/B程序順序不能依據字面描述，需了解軍標的出處和設備的原理，GJB65-85，GJB65A-91，GJB65B-1999， GJB65C-2021都有關于預沖擊的說明，以GJB65C-2021為例，GJB65C-2021-3.5-c）如果在附加沖擊試驗前或其后5s之內無粒子指示，該繼電器應接受。當采用預沖擊代替附加沖擊試驗時，在10 s的振動過程中，不應該有粒子顯示。

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

3 行業內關于條件B的異議

美軍標MIL-STD-750，MIL-STD-883均未明確說明條件B，關于平均腔高和頻率的對應關系。GJB128B和GJB548C試驗條件B都面臨同樣的問題。行業內有兩種不同的觀點。

3.1 關于條件B的兩種不同觀點

觀點一：早期觀點，不確定器件腔體高度的情況下，使用固定頻率，對應條件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要求和方法》-方法100-3.3.1試驗條件。

觀點二：條件B關于平均腔高和頻率的對應關系，應依據試驗條件A平均腔高和頻率的對應關系，只是振動加速度為調整10 g。

3.2 支持觀點二的兩點依據

（1）粒子輸出噪聲電壓（Vout）與試驗頻率呈負相關，試驗頻率越大，輸出電壓越小，且質量越大的粒子，其噪聲電壓隨試驗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) 與試驗頻率關系

（2）器件中心位置與傳感器中心位置越遠，位移信號的傳輸出路徑就越長，信號傳遞率就降低。國內外PIND設備見表1。

表1 國內外PIND設備

4 結論

GJB548A/B/C、GJB128A/B所有同條件A公式推導出腔高和頻率的關系，都是假設所有的粒子都精確地沿著振動篩選預定軸向運動方向運動，通過將頻率與內腔位移相匹配，理論上從傳感器獲得最大位移信號。但事實上，大多數粒子在空腔中是沿著對角線運動，從而延長了運動路徑，故條件A這個公式基本上是基于理論，有一定程度的漏判比例。而條件B在美軍標中有所說明，是由德州儀器公司（TI）發起的增加項，基于數百萬次試驗的試驗總結，能最大限度判定不同封裝的足夠質量的內部微粒的碰撞噪聲存在。現沒有任何研究表明，試驗條件A與B在準確度上的優劣性。國際上最新的理念，是基于全新的數字化系統，創建一個更新的、更復雜的運動，包含隨機沖擊和正弦振動，把所有類型的運動模糊混在一起，利用PIND設備，為每個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。