可变温红外探测器中测杜瓦设计

闫 杰,范博文,李金健,付志凯,张 磊

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

芯片中测是半导体产品实现过程中必不可少的一环[1]。红外探测器芯片制备完成后,在进行正式的组件封装之前,需要对其电学性能进行测试,这个过程称为芯片中测。

中测杜瓦能够为红外探测器芯片提供真空环境,检验芯片是否能够实现既定功能,为最终产品的质量和可靠性提供一种度量。液氮、液氦、液氩都是比较常见的低温测试工质,这些低温液体的特殊性质,决定了低温贮罐的结构特点[2-3]。如图1所示为传统的中测液氮杜瓦,液氮注入杜瓦内部,液氮通过冷指进入冷头,杜瓦内部的真空夹层和绝热层起到绝热作用,使芯片达到77 K工作温度。

随着红外焦平面技术的快速发展,尤其是甚长波红外探测器、高温工作的研究逐步深入,对60 K、120 K等不同温度下探测器芯片性能的测试需求越来越迫切。因此需要一种温度可调且控温稳定性优良的变温杜瓦,突破中测液氮杜瓦工作温度的限制,满足芯片的测试要求。

与传统的中测液氮杜瓦相比,变温杜瓦体积较小,采用活真空的形式,其制冷接口可以适配相应冷量的制冷机,通过高精度驱动控制器进行温度控制,可以在60～300 K等不同的温度下进行芯片性能测试。另外,将变温杜瓦的框架部件设计为分体式可拆卸结构,可以兼容多种规格的芯片性能测试,从而提高了芯片的封装效率。

图1 传统中测液氮杜瓦模型示意图

2 变温杜瓦装置介绍

变温杜瓦可兼容多种规格的芯片性能测试需求,对应不同规格的芯片,其冷屏及窗座结构不同,但装配过程及测试原理均一致,在此以芯片规格为320×256的变温杜瓦为例,说明变温杜瓦的结构组成、特点及工作原理。

2.1 变温杜瓦装置的结构设计

如图2(a)所示,为变温杜瓦装置的实物图,图2(b)所示,为变温杜瓦装置的结构组成图。其外部结构包括窗座部件、外壳部件、冷指、接插件等,内部结构包括芯片、电路、冷屏部件、陶瓷框架部件等。外部结构通过焊接、粘接、压封等工艺形成密闭空间,内部结构则为芯片测试提供光学系统、电学引出等功能。

变温杜瓦装置的制作过程包括:零部件表面清洗、电镀、高温除气等前期准备工作。装配过程中,将冷指与过渡环钎焊后,与外壳部件激光焊接组成杜瓦半成品,将芯片与陶瓷框架部件粘接后,整体对中粘接在陶瓷结构件端面,另外采用引线键合工艺将芯片电路、框架焊盘、接插件焊盘联通,再将冷屏部件对中,粘接在陶瓷框架部件表面,其作用是可以起到限制探测器视场,消除杂散辐射的作用。最终,使用螺钉及胶圈压封窗座部件与杜瓦半成品使其形成完整、密闭的结构。

2.2 变温杜瓦置的特点介绍

为了实现多种温度条件下探测器芯片性能的测试,将变温杜瓦的制冷接口设计为薄壁圆柱状结构,可以适配相应冷量的制冷机,其通过法兰将其与制冷机冷指耦合后,通过制冷机的冷指传输冷量,对变温杜瓦的冷头部件进行降温,使芯片达到工作温度。利用变温杜瓦装置的高真空度状态下制冷机高精度驱动控制器可进行温度控制,从而实现60～300 K等不同的温度下进行芯片性能测试。

传统中测液氮杜瓦的框架部件为一体式结构,框架与液氮杜瓦冷台面螺接。一体式框架的缺点在于,当更换芯片时,需要将框架整体从中测液氮杜瓦取出,利用溶剂浸润芯片与框架,耗费时间较长,并且需要破坏与重新键合读出电路与框架、框架与杜瓦间的金丝。因此每次更换芯片,需要反复键合引线,耗时较长,效率较低。

变温杜瓦的框架部件为分体式结构,如图3所示,为变温杜瓦的框架部件结构图,包含电学引出框架、芯片衬底和结构件,其中结构件设有4组沉头螺母,芯片衬底设有4组通孔。根据芯片规格以及引出的管脚数量,可以设计不同类型的芯片衬底,装配时,首先利用粘胶工艺将电学引出框架与结构件固定,然后利用螺钉将芯片衬底与框架固定。

图3 分体式框架结构

这种分体式框架设计的优势在于,当芯片性能测试完成后,更换芯片时,只需要更换芯片衬底即可,从而节约芯片剥离框架的浸泡工艺时间,另外,因为电学引出框架没有拆卸,故其与接插件焊盘的引线固定不动。更换芯片时,只需破坏和重新键合框架与读出电路之间的内引线,从而可以减少引线键合次数,提高封装效率。另外,通过更换芯片衬底即可实现多种规格芯片的性能测试,提高了变温杜瓦装置的使用兼容性。

2.3 变温杜瓦的工作原理

如图4所示,为变温杜瓦与制冷机装配图。变温杜瓦为芯片测试提供密闭条件,但在测试前需使其达到一定的真空度。变温杜瓦窗座上焊有排气管,测试开始前,通过排气阀将排气管与高真空抽气泵连接,对杜瓦内部抽真空,待变温杜瓦内部真空度达到2 Pa后,便可启动制冷机。

图4 变温杜瓦与制冷机装配图

变温杜瓦的芯片粘接衬底上装有多组测温二极管,可实时监控芯片区域的温度,当温度达到预设值时,制冷机驱动控制器会维持温度值,便可开始测试芯片的性能。

3 变温杜瓦性能的试验测试

3.1 变温杜瓦芯片衬底区域温度均匀性分析

采用如图4所示的装置,变温杜瓦耦合9320接口的5 W制冷机,采用活真空的形式。如图5所示,为二极管分布示意图,变温杜瓦芯片衬底上布置6只二极管,监测芯片粘接区域的温度变化,其中2号二级管用于制冷机的驱动反馈。试验测试温度为60 K,实验开始时,首先对杜瓦抽真空,待变温杜瓦内部真空度达到2 Pa后,启动制冷机制冷,同步采集6只二极管的数值,当观察到数值变化趋于稳定后,停止试验。

图5 二极管分布示意图

如图6所示,为5只二极管数值随时间变化的曲线图。试验共进行了26 min,随着制冷时间增加,5只二极管的幅值呈现先增大后趋于稳定的趋势,转折点在17 min左右,通过试验数据可以观察到从18 min开始二极管的幅值稳定在1.084 V,对应为60 K,具体数据如表1所示。

图6 二极管数值变化曲线图

表1 二极管试验数据表

(续表)

取18 min到26 min时间段,可对比得出,5只二极管数值中,6号二极管的幅值是最小的,4号二极管的幅值是最大的,对6号与4号二极管的9组数据做差求平均,结果为0.92 mV,对应变化了0.6 K,因此变温杜瓦芯片衬底区域的温度均匀性为0.6 K。

3.2 变温杜瓦控温稳定性分析

采用如图4所示的装置,变温杜瓦耦合9320接口的5 W制冷机,采用活真空的形式。此次试验在变温杜瓦芯片衬底上粘接芯片,有两组二极管监测芯片粘接区域的温度变化,其中1组二级管用于制冷机的驱动反馈。实验开始时,首先对杜瓦抽真空,待变温杜瓦内部真空度达到2 Pa后,启动制冷机制冷,同步采集二极管的数值,当温度达到50 K时,给电路通电,当观察到数值变化趋于稳定后,停止试验。

如图7所示,为二极管数值随时间的变化曲线图。试验共进行了26 min,第16 min时,给电路通电。反应在曲线图上,16 min为转折点,二极管的幅值呈先增大后减小的趋势。

图7 二极管数值变化曲线图

见试验数据表2所示,16 min时,二极管的测试值为1.1105 V,根据二极管标定数值表,对应50.19 K,从第16 min开始给电路加电,二级管幅值开始降低,经过10 min测试值变为1.1066 V,对应50.88 K,变化了0.69 K,代表变温杜瓦装置的控温稳定性为0.69 K,能够满足控温稳定性在±3 K内的项目使用要求。

表2 二极管试验数据表

4 结 论

本文介绍了一种可实现多个温度条件下连续测试芯片性能的中测变温杜瓦结构,结合杜瓦的结构和装配工艺,与传统的液氮中测杜瓦进行了对比,分析了本款中测变温杜瓦的优势,形成了以下几点结论:

(1)本款变温杜瓦可以满足60～300 K温度范围内,测试探测器芯片性能的迫切需求。

(2)相对传统的中测液氮杜瓦,变温杜瓦采用了分体式陶瓷框架的结构设计,有效地提高了芯片性能的封装效率以及变温杜瓦的使用兼容性。

(3)通过试验验证,未装芯片的情况下,变温杜瓦芯片衬底区域温度均匀性分析为0.6 K,在装入芯片且加电10 min内,变温杜瓦控温稳定性为0.69 K,能够满足控温稳定性在±3 K内的项目使用要求。