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珏芯微电子研究基于冲击响应谱的红外探测器引线键合

MEMS 来源:红外芯闻 2023-07-28 10:47 次阅读

制冷型红外探测器有响应快、灵敏度高和探测距离远的特点,在智能光电装备中应用广泛。然而在实际应用场景中会经历冲击激励,引起冲击响应,为了确保制冷型红外探测器能够胜任复杂多变的苛刻环境,在设计阶段进行冲击响应谱环境适应性研究十分必要。

据麦姆斯咨询报道,近期,浙江珏芯微电子有限公司的科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“基于冲击响应谱的红外探测器引线键合研究”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为熊雄高级工程师,主要从事红外探测器封装技术方面的研究工作。

本文针对红外探测器引线键合技术,建立有限元模型进行模态分析引线弧形,综合考虑引线材料特性选择最佳引线材料,并进行一系列工艺优化及杜瓦加固,最后通过冲击响应谱试验对引线键合质量进行评估。

冲击响应谱试验条件

冲击试验一般分为经典冲击和冲击响应谱试验两种。经典冲击一般有半正弦波、梯形波和锯齿波3种,大量研究表明试件即使通过了经典冲击试验,在实际使用环境中仍会损坏,因此不适合采用经典冲击作为检测条件的试验规范。GJB 150A中也明确规定只有证明测量数据在经典脉冲的容差内,才允许采用梯形波和锯齿波的经典冲击试验,其他均以冲击响应谱作为瞬态冲击的试验标准。与经典冲击相比,冲击响应谱试验不仅研究冲击波本身,而且更加关注冲击作用与系统的效果,估计冲击对结构的损伤大小,更加接近真实的冲击环境。因此,本研究以冲击响应谱试验作为衡量红外探测器中引线键合质量的检测条件。

考虑到冲击响应谱是针对不同频率的响应进行计算,可将红外探测器的耦合作用分解为多个线性单自由度系统,对于每个单自由度系统进行冲击响应谱计算,取系统响应的最大值,然后结合红外探测器的固有频率便可得出整个系统的冲击响应谱。图1为单自由度(SDOF)系统的冲击响应振动模型。

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图1 SDOF系统冲击响应振动模型

图中,a为输入运动,b为响应运动,m为载荷质量,k、c分别为SDOF的刚度系数与阻尼系数。根据冲击响应谱的频率范围和取样间隔,得到各个小波分量频率,该频率即为各个SDOF的固有频率,然后计算各SDOF在激励下的响应曲线,取其峰值并结合各小波分量频率即得到冲击响应谱。

基于应用需求,为研制能适应冲击响应谱为1000 g量级(试验参数如图2)的高可靠红外探测器,本研究重点攻关杜瓦封装中的引线键合加固设计与工艺优化。

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图2 冲击试验参数

引线键合设计

红外探测器在运输、试验和使用中会经历各种振动和热环境,封装杜瓦也同样受到环境的影响。杜瓦内部引线键合一般分为同一水平面的和不同水平面的键合,后者由于引线弧形不对称及受力不平衡,更容易产生过大应力应变甚至断裂的风险。如图3所示,杜瓦封装内基板与引线环键合时,第一、二焊点间隔距离远且不在同一水平面上,其中,引线水平方向跨距为ΔL、垂直方向跨高为ΔH。

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图3 键合引线示意图

图3中,引线弧形是由劈刀运动轨迹决定的,在键合第一焊点后,劈刀先向上运动高度h1;然后向左运动距离l1;最后向下运动高度h2并键合第二焊点形成最终的引线弧形。

通过引线弧形各点数据建立模型并进行有限元分析,建立的红外探测器模型中,底部法兰面进行固定支撑约束,其余各部件进行绑定约束,仿真的引线材料为30 μm的铂丝,设定1000 g冲击响应谱试验条件,分别沿X、Y、Z三轴正方向进行仿真,最终得到3个方向的单轴冲击仿真结果。图4中ΔH为7000 μm时,Y轴正方向引线位移的仿真结果,最大位移为0.2672 mm。将10根引线弧形的仿真结果整合后得到图5。

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图4 沿Y轴冲击的弧形位移仿真结果

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图5 弧形仿真结果:(a)为弧高与位移的关系;(b)为弧高与应力的关系

图5中结果显示,在1000 g冲击响应谱试验条件下,Y轴正方向冲击对弧形的位移与应力影响最大,Z轴正方向的冲击对其影响最小,X轴居中。且随着弧高逐渐增大,弧形应力与位移也逐渐变大。因此为了减小1000 g冲击响应谱条件下引线形变及断裂的可能,需要弧高尽可能小。

除了考虑键合引线弧形外,键合引线的材料对键合质量也有直接关系,并影响红外探测器组件长期使用的可靠性和稳定性。红外探测器封装对引线材料的要求是:低电阻的欧姆连接、漏热小、可塑性好、键合处的机械强度高以及键合完成后对杜瓦真空度影响小。常用的引线材料有:金丝、银丝、铂丝、硅铝丝、铝丝和铜丝等,表1列出了常用引线材料的部分物理参数。

表1 键合引线部分物理参数

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红外探测器为了获得可以接受的制冷时间,必须相应地降低杜瓦组件的静态热负载。因此红外探测器的引线选择除了考虑键合性能外,还要兼顾引线漏热。此外,为避免红外探测器在实际应用过程中发生共振现象导致红外探测器损坏,材料的固有频率则需要被考虑。通过对键合引线受力分析及综合考虑材料多种特性之后,最终优选30 μm铂丝为键合材料且确定了其键合弧形参数。

引线键合工艺优化

引线键合的可靠性受多种因素影响,如键合表面材质、键合表面状态、引线材料、键合参数及杜瓦整体抗振性能等。在基板、引线环及键合引线材料确定的前提下,引线键合的质量则只与键合表面状态、键合参数和杜瓦整体抗振性能有关。我们将键合表面状态因素设定为A,键合参数因素设定为B,杜瓦整体抗振性能因素为C,则键合引线发生各种断裂等失效的概率为P(ABC)。以珏芯微电子的制冷型红外探测器为例,在过去30个制冷型红外探测器共计900根引线1000 g冲击响应谱试验中,存在26根为键合参数不适合导致失效,存在25根因键合表面状态问题导致的失效,存在11根因杜瓦整体抗振性能差导致的引线断裂失效。

在1000 g冲击响应谱试验条件下,30根引线即单个红外探测器通过试验的概率并不高,即键合工艺仍然有较大的优化空间。在以铂丝作为键合引线材料后,为了进一步提高键合强度,主要采用直接加固和间接加固的方式。直接加固方式包括对键合表面的洁净处理、键合工艺参数的优化以及植球等方式。其中,键合表面洁净处理在一般清洁表面污染方式的基础上增加了等离子清洗工艺;键合工艺参数的优化可通过设计正交试验,取键合三要素键合压力、超声功率、超声时间构成3因素4水平的正交实验,并对结果进行极差分析从而得出最佳的键合工艺参数;植球则是指在第二焊点键合结束后,再对第二焊点进行球焊操作,植球后的引线强度往往比未植球时高。间接加固方式为对杜瓦冷指顶端辅助加固从而对悬臂梁结构进行力学强化,在减少其振动的同时而间接减少键合引线的受力。中国科学院上海技术物理研究所也提出了一种杜瓦冷指顶端辅助加固的力学强化方式。

采用推拉力试验机对工艺优化后的键合引线进行测试,测试速度为500 μm/s,设定负载40 g。图6为工艺优化前后键合引线拉力强度值对比。

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图6 键合引线拉力强度对比

冲击响应谱试验

对引线键合优化后的红外探测器进行1000 g冲击试验,试验参数如图2,加载方向±X、±Y、±Z每向3次。图8为试验流程。

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图8 冲击响应谱试验过程

冲击响应谱试验一般包括图中9个步骤,试验开始前首先调节设备冲击响应谱,使其输出与试验条件一致,接着确认红外探测器试验前状态,然后就可以开始试验。试验时按X、-X、Y、-Y、Z、-Z的顺序进行冲击响应谱试验,试验完成后确认探测器的状态。

试验结束后分析得到:4个红外探测器试验样品经过1000 g量级冲击响应谱试验后未发现明显的缺陷,键合引线亦保持正常的电气连接功能。因此,对键合引线受力进行理论分析、综合考虑键合引线材料及工艺优化这一体系措施对于提高键合引线在冲击响应谱试验下的可靠性是有效且可行的。

结论与展望

本研究通过建立有限元模型对红外探测器杜瓦封装中的键合引线进行模态分析,综合考虑键合材料的物性参数,最终选定了铂丝作为键合材料并确定了其弧形参数。在对引线键合工艺进行优化后得到了符合期望的引线键合质量,且通过了1000 g量级冲击响应谱试验。本研究给基于冲击响应谱试验条件下如何提高键合引线可靠性提供了新的思路。然而,该研究仍然有优化的空间:

1)由于缺少高速摄像设备,对于键合引线在冲击环境下的实际运动轨迹未能捕捉到;

2)下一步,可通过设备升级及采用多种检测方法来更好地把控键合一致性;

3)建立多变量系统性的仿真平台,获得更接近真实情况的引线键合仿真数据;

4)完善键合引线材料数据库,做到针对不同情况快速筛选合适的引线材料。






审核编辑:刘清

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原文标题:珏芯微电子研究基于冲击响应谱的红外探测器引线键合

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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