CN113109645B - 一种倒封装器件单粒子评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种倒封装器件单粒子评估方法，包括：样品准备；试验装置安装调试；选择离子能量；确定离子到达有源区时的有效LET和射程，如果到达有源区有效，LET值满足试验所要的LET值要求，则采用直接辐照方法开始辐照，否则按照一定原则，选择如下辐照方法：衬底减薄；正封装替代；敏感区评估；局部裸露制样；键合封装制样；单元库推导；离子辐照：按试验方案要求，选择合适的离子，进行辐照；效应检测；绘制单粒子事件截面与入射离子有效LET值的关系曲线。本发明提出七种评估方法，适应各类倒装焊器件特点，可以对宇航用倒装焊器件的单粒子效应做出评价，服务于航天型号，解决宇航倒装焊器件单粒子评估方法缺失问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种倒封装器件单粒子评估方法，属于电子元器件可靠性技术领域。
背景技术
随着航天技术的发展，重点型号用电子元器件向小型化、高精度和系统集成的方向发展，这些高端复杂器件对集成电路封装技术也提出了更高的要求。倒装焊封装工艺具有高密度、高性能、高可靠的特点，广泛应用于宇航用CPU、宇航用FPGA、宇航用DSP等高性能集成电路的封装工艺中。
通过近些年的研究表明，倒装焊器件的辐射试验方法与常规正封装器件相比，在总剂量、位移损伤效应上相同，只在单粒子试验评估上与现有的评估方法存在差异。
宇航用高性能集成电路对空间辐射极其敏感，解决宇航倒装焊器件单粒子评估方法缺失，因此，迫切需要突破并掌握倒装焊技术的辐照评估方法。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种倒封装器件单粒子评估方法，可以对宇航用倒装焊器件的单粒子效应做出评价，服务于航天型号，解决宇航倒装焊器件单粒子评估方法缺失问题。
本发明解决技术的方案是：
一种倒封装器件单粒子评估方法，包括下列步骤：
(1)样品准备：一批产品的试验样品的数量应不少于3只，器件经测试合格，编号每一个器件，并按编号记录数据；
(2)试验装置安装调试：将试验板、探测器固定在辐照支架上，保证试验装置与试验支架移动的一致性，确保重离子加速器产生的入射离子辐照到被试器件的敏感区表面；
(3)选择离子能量：根据所使用的重离子加速器和拟产生的重离子能量，选择适合样品的离子能量；
(4)计算有效LET值及射程：确定离子到达有源区时的有效LET和射程，如果到达有源区有效，LET值满足试验所要的LET值要求，则采用直接辐照方法开始辐照，否则按照一定原则，选择如下辐照方法：
衬底减薄；正封装替代；敏感区评估；局部裸露制样；键合封装制样；单元库推导；
(5)离子辐照：按试验方案要求，选择合适的离子，进行辐照；
(6)效应检测：
(6.1)按试验方案要求，进行离子辐照下的单粒子效应检测，包括单粒子翻转、单粒子功能中断以及单粒子锁定检测；
(6.2)实时监测并记录器件发生的单粒子事件数和入射离子注量、注量率、时间及器件的壳温；
(7)计算垂直入射到器件表面每种LET离子的总注量Φ(i)eff，绘制单粒子事件截面σ(i)与入射离子有效LET值的关系曲线。
进一步的，步骤(5)中，离子选择做遵循的原则为：
(5.1)参照与被试器件结构、工艺最接近的器件的单粒子试验数据，判断被试器件的单粒子事件LET阈值范围；
(5.2)根据预估的器件单粒子事件LET阈值确定离子种类和能量，如果要试验获得σ～LET曲线，以便进行单粒子事件率预估，则选用的离子种类和能量点数应具备5种以上不同的有效LET值；离子的有效LET应能覆盖被试器件从刚开始出现单粒子事件到单粒子事件达到饱和截面所相应的LET范围；
(5.3)选择的离子经过正封装层或倒封装层后，在硅中达到有源区的射程；
(5.4)单粒子翻转试验时的注量率的选择以每秒钟内产生不大于1～4次错误为宜；
(5.5)若总注量达到107离子数/cm2未出现错误，则认为在该LET值下器件单粒子效应不敏感，可以增加入射离子有效LET值。
进一步的，步骤(6)的效应检测中，
单粒子锁定测试应在高温100℃下进行，或者器件最高工作温度下进行；
单粒子翻转测试应在器件最低工作电压下进行，单粒子锁定应在器件最高工作电压下进行。
进一步的，所述步骤(4)衬底减薄选取原则如下：
如果计算的射程满足衬底至有源区的距离，则不需要衬底减薄；
如果计算的射程不满足衬底至有源区的距离，则倒装焊样品需要衬底减薄，其中减薄样品的单粒子试验要求如下：
为满足单粒子试验要求，芯片需要减薄至辐照离子达到有源区；
为满足单粒子试验要求，对减薄样品采取抽样方法评估减薄后的衬底厚度；
试验样品数量至少增加至原来的2倍，提高试验准确性。
进一步的，所述步骤(4)正封装替代选取原则如下：
正封装代替法适用于模数转换器类型的器件考核单粒子闩锁效应。
进一步的，所述步骤(4)敏感区评估选取原则如下：
敏感区评估适用于存储器类别的具有相同重复单元结构的倒装焊器件。
进一步的，所述步骤(4)局部裸露制样选取原则如下：
局部裸露制样适用于PAD数多，且允许对指定敏感区域进行测试的芯片；局部裸露制样后，器件应为合格器件；
进一步的，所述步骤(4)键合封装制样选取原则如下：
键合封装制样适用于测试PAD数量小，且分布比较分散的情况；键合封装制样后，器件应为合格器件。
进一步的，所述步骤(4)单元库推导选取原则如下：
单元库推导适用于倒装焊的ASIC、SOPC的基于抗辐射单元库设计的大规模集成电路。
进一步的，步骤(7)中，Φ(i)eff＝Φ(i)×cosθ
式中：Φ(i)eff为垂直入射到器件表面第i种LET离子的总注量，Φ(i)为第i种LET离子的注量，θ为离子的入射角。
进一步的，每种LET下的单粒子事件截面σ(i)＝N(i)/Φ(i)eff，式中：N(i)为测量器件的单粒子事件数。
进一步的，对于衬底减薄的样品，取单粒子错误截面较大的3只，作为目标器件进行所有离子下的辐照试验。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明提出七种评估方法，适应各类倒装焊器件特点，可以对宇航用倒装焊器件的单粒子效应做出评价，服务于航天型号，解决宇航倒装焊器件单粒子评估方法缺失问题。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
一种倒封装器件单粒子评估方法，如图1所示，包括下列步骤：
(1)样品准备：一批产品的试验样品的数量应不少于3只，器件经测试合格，编号每一个器件，并按编号记录数据；
(2)试验装置安装调试：将试验板、探测器固定在辐照支架上，保证试验装置与试验支架移动的一致性，确保重离子加速器产生的入射离子辐照到被试器件的敏感区表面，调整样品与束流夹角满足试验方案的要求，检测试验板和单粒子效应检测系统通讯正常，功能正常；单粒子效应检测系统包括电源、示波器及上位机，用于监测器件参数，
(3)选择离子能量：根据所使用的重离子加速器和拟产生的重离子能量，选择适合样品的离子能量；
(4)计算有效LET值及射程：确定离子到达有源区时的有效LET和射程，如果到达有源区有效，LET值满足试验所要的LET值要求，则采用直接辐照方法开始辐照，否则按照一定原则，选择如下辐照方法：
衬底减薄；正封装替代；敏感区评估；局部裸露制样；键合封装制样；单元库推导；
(5)离子辐照：按试验方案要求，选择合适的离子，进行辐照；
(6)效应检测：
(6.1)按试验方案要求，进行离子辐照下的单粒子效应检测，包括单粒子翻转、单粒子功能中断以及单粒子锁定检测；
(6.2)实时监测并记录器件发生的单粒子事件数和入射离子注量、注量率、时间及器件的壳温；
(7)计算垂直入射到器件表面每种LET离子的总注量Φ(i)eff，绘制单粒子事件截面σ(i)与入射离子有效LET值的关系曲线。
步骤(5)中，离子选择做遵循的原则为：
(5.1)参照与被试器件结构、工艺最接近的器件的单粒子试验数据，判断被试器件的单粒子事件LET阈值范围；
(5.2)根据预估的器件单粒子事件LET阈值确定离子种类和能量，如果要试验获得σ～LET曲线，以便进行单粒子事件率预估，则选用的离子种类和能量点数应具备5种以上不同的有效LET值；离子的有效LET应能覆盖被试器件从刚开始出现单粒子事件到单粒子事件达到饱和截面所相应的LET范围；
(5.3)选择的离子经过正封装层或倒封装层后，在硅中达到有源区的射程；
(5.4)单粒子翻转试验时的注量率的选择以每秒钟内产生不大于1～4次错误为宜；
(5.5)若总注量达到107离子数/cm2未出现错误，则认为在该LET值下器件单粒子效应不敏感，可以增加入射离子有效LET值。
步骤(6)的效应检测中，
单粒子锁定测试应在高温100℃下进行，或者器件最高工作温度下进行；
单粒子翻转测试应在器件最低工作电压下进行，单粒子锁定应在器件最高工作电压下进行。
衬底减薄选取原则如下：
如果计算的射程满足衬底至有源区的距离，则不需要衬底减薄；
如果计算的射程不满足衬底至有源区的距离，则倒装焊样品需要衬底减薄，其中减薄样品的单粒子试验要求如下：
为满足单粒子试验要求，芯片需要减薄至辐照离子达到有源区；
为满足单粒子试验要求，对减薄样品采取抽样方法评估减薄后的衬底厚度；
试验样品数量至少增加至原来的2倍，提高试验准确性。
正封装替代选取原则如下：
正封装代替法适用于模数转换器类型的器件考核单粒子闩锁效应。
敏感区评估选取原则如下：
敏感区评估适用于存储器类别的具有相同重复单元结构的倒装焊器件。
局部裸露制样选取原则如下：
局部裸露制样适用于PAD数多，且允许对指定敏感区域进行测试的芯片；局部裸露制样后，器件应为合格器件；
键合封装制样选取原则如下：
键合封装制样适用于测试PAD数量小，且分布比较分散的情况；键合封装制样后，器件应为合格器件。
单元库推导选取原则如下：
单元库推导适用于倒装焊的ASIC、SOPC的基于抗辐射单元库设计的大规模集成电路。
Φ(i)eff＝Φ(i)×cosθ
式中：Φ(i)eff为垂直入射到器件表面第i种LET离子的总注量，Φ(i)为第i种LET离子的注量，θ为离子的入射角。
每种LET下的单粒子事件截面σ(i)＝N(i)/Φ(i)eff，式中：N(i)为测量器件的单粒子事件数。
对于衬底减薄的样品，取单粒子错误截面较大的3只，作为目标器件进行所有离子下的辐照试验。
实施例
(1)样品准备：
1)一批产品的试验样品的数量为3只。器件测试合格。器件编号为1105#、1107#、1110#。
(2)试验装置安装调试：将试验板、探测器固定在辐照支架上，保证试验装置与试验支架移动的一致性。确保入射离子辐照到被试器件的敏感区表面。调整样品与束流夹角满足试验方案的要求。检测试验板和单粒子效应检测系统通讯正常，功能正常。
(3)选择离子能量：选取中国科学院近代物理研究所的兰州重离子加速器(HIRFL)，重离子能量为1602.3(MeV)。
(4)计算有效LET值及射程：离子在硅中的LET值为79.2MeV·cm2/mg，在硅中射程为94.1μm，不满足直接辐照，对倒装焊器件进行衬底减薄，倒装焊样品原始硅衬底厚度为750μm-780μm，硅衬底减薄后厚度为40μm-50μm。
(5)离子辐照：Ta粒子源，LET值为79.2MeV·cm2/mg，Si中射程94.1um，入射角度为0°，离子束垂直于器件表面，注量率10000粒子数/(cm2·m)，总注量107/cm2。
(6)效应检测：对器件的功能中断进行检测。
(7)数据分析处理
测量的器件的单粒子功能中断发生3次，在LET为79.2MeV·cm2/mg下的单粒子事件截面为3×10-7n/cm2。
本发明提出七种评估方法，适应各类倒装焊器件特点，可以对宇航用倒装焊器件的单粒子效应做出评价，服务于航天型号，解决宇航倒装焊器件单粒子评估方法缺失问题。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)样品准备：一批产品的试验样品的数量应不少于3只，器件经测试合格，编号每一个器件，并按编号记录数据；
(2)试验装置安装调试：将试验板、探测器固定在辐照支架上，保证试验装置与辐照支架移动的一致性，确保重离子加速器产生的入射离子辐照到被试器件的敏感区表面；
(3)选择离子能量：根据所使用的重离子加速器和拟产生的重离子能量，选择适合样品的离子能量；
(4)确定有效LET值及射程：确定离子到达有源区时的有效LET和射程，如果到达有源区有效，LET值满足试验所要的LET值要求，则采用直接辐照方法开始辐照，否则按照一定原则，选择如下辐照方法：
衬底减薄；正封装替代；敏感区评估；局部裸露制样；键合封装制样；单元库推导；
(5)离子辐照：按试验方案要求，选择合适的离子，进行辐照；
(6)效应检测：
(6.1)按试验方案要求，进行离子辐照下的单粒子效应检测，包括单粒子翻转、单粒子功能中断以及单粒子锁定检测；
(6.2)实时监测并记录器件发生的单粒子事件数和入射离子注量、注量率、时间及器件的壳温；
(7)计算垂直入射到器件表面每种LET离子的总注量Φ(i)eff，绘制单粒子事件截面σ(i)与入射离子有效LET值的关系曲线；
步骤(5)中，离子选择遵循的原则为：
(5.1)参照与被试器件结构、工艺最接近的器件的单粒子试验数据，判断被试器件的单粒子事件LET阈值范围；
(5.2)根据预估的器件单粒子事件LET阈值确定离子种类和能量，如果要试验获得σ～LET曲线，以便进行单粒子事件率预估，则选用的离子种类和能量点数应具备5种以上不同的有效LET值；离子的有效LET应能覆盖被试器件从刚开始出现单粒子事件到单粒子事件达到饱和截面所相应的LET范围；
(5.3)选择的离子经过正封装层或倒封装层后，在硅中达到有源区的射程；
(5.4)单粒子翻转试验时的注量率的选择以每秒钟内产生不大于4次错误为宜；
(5.5)若总注量达到107离子数/cm2未出现错误，则认为在该LET值下器件单粒子效应不敏感，增加入射离子有效LET值；
步骤(7)中，Φ(i)eff＝Φ(i)×cosθ
式中：Φ(i)eff为垂直入射到器件表面第i种LET离子的总注量，Φ(i)为第i种LET离子的注量，θ为离子的入射角，
每种LET下的单粒子事件截面σ(i)＝N(i)/Φ(i)eff，式中：N(i)为器件的单粒子事件数。
2.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，步骤(6)的效应检测中，
单粒子锁定测试应在高温100℃下进行，或者器件最高工作温度下进行；
单粒子翻转测试应在器件最低工作电压下进行，单粒子锁定应在器件最高工作电压下进行。
3.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，所述步骤(4)衬底减薄选取原则如下：
如果计算的射程满足衬底至有源区的距离，则不需要衬底减薄；
如果计算的射程不满足衬底至有源区的距离，则倒装焊样品需要衬底减薄，其中减薄样品的单粒子试验要求如下：
为满足单粒子试验要求，芯片需要减薄至辐照离子达到有源区；
为满足单粒子试验要求，对减薄样品采取抽样方法评估减薄后的衬底厚度；
试验样品数量至少增加至原来的2倍，提高试验准确性。
4.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，所述步骤(4)正封装替代选取原则如下：
正封装代替法适用于模数转换器类型的器件考核单粒子闩锁效应。
5.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，所述步骤(4)敏感区评估选取原则如下：
敏感区评估适用于存储器类别的具有相同重复单元结构的倒装焊器件。
6.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，所述步骤(4)局部裸露制样选取原则如下：
局部裸露制样适用于PAD数多，且允许对指定敏感区域进行测试的芯片；局部裸露制样后，器件应为合格器件。
7.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，所述步骤(4)键合封装制样选取原则如下：
键合封装制样适用于测试PAD数量小，且分布比较分散的情况；键合封装制样后，器件应为合格器件。
8.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，所述步骤(4)单元库推导选取原则如下：
单元库推导适用于倒装焊的ASIC、SOPC的基于抗辐射单元库设计的大规模集成电路。
9.根据权利要求1所述的一种倒封装器件单粒子评估方法，其特征在于，
对于衬底减薄的样品，取单粒子错误截面较大的3只，作为目标器件进行所有离子下的辐照试验。
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