CN113281579B - 一种基于f-p干涉原理的芯片封装静电测量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于F‑P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，包括电容扫描探头，光纤电场传感器，光纤传感器解调仪，计算机；本发明使用尺寸为0.4×0.2mm的贴片电容(0.1pF)进行芯片表面电荷的感应，从而构成电容扫描探头，能够有效的扫描芯片表面不同的位置，得到芯片表面的静电分布；敏感器件采用压电陶瓷片，结合光学测量技术能实现对电场测量的精准性和快速性，同时光纤与陶瓷插针和连接使用可以更好的保证光信号的传输。本发明装置具有结构简单、测量精度高、使用稳定性好、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于芯片制造和科研领域。

Description

一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器
技术领域
本发明属于静电测量领域，具体涉及一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器。
背景技术
随着微电子技术的蓬勃发展，以及航空航天、芯片制造等高新产业的迅速崛起，电子器件及电子产品日趋小型化，因此集成电路成为电子信息工业中不可或缺的重要部件。小型集成电路尤其是芯片具有线间距离较短、导体部分较细、运算速度快、功率较低的特点，但是在芯片封装工业中，因为摩擦、感应和传导等过程很容易促进表面静电电荷的积累，进而导致芯片表面的静电放电(electrostatic discharge，ESD)，进而导致芯片的击穿和损毁，同时，因静电放电产生的电磁场亦会干扰周围电子部件的正常运行，从而造成设备故障和失灵。研究报告表明，集成芯片在生产过程中，因静电造成的报废率高达70％，每年因静电放电致使半导体器件损失高达数百亿美元，因此，为保障集成芯片在封装前后的安全性，需要对芯片表面进行静电的实时监测，以避免静电放电而造成的严重损伤，从而有效地进行静电防护，所以静电的测量工作在芯片制造领域起着非常重要的作用。
目前，静电测量按照测量设备是否与被测物体直接接触可以分为接触式和非接触式两类。接触式的测量方法由于测量时测量设备会与被测物体相接触，被测物体会发生放电，从而使被测物体的实际电荷量减少，导致测量的结果偏小而失真。接触式的测量方法分为振动电容式、旋转叶片式和直接感应式测量方法等，其中振动电容式的直接测量方法具有准确度高、稳定性好的优点，但是其工艺技术要求复杂并且成本相对较高；旋转叶片式测量方法功耗多，体积大，并且叶片的机械磨损会影响测量精度；直接感应式测量方法稳定性和抗干扰性能较差，不适合长期使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，该传感器能够探测芯片封装前后表面静电的微小变化，其传感器探头能够检测同一芯片表面不同位置处的静电大小，可以探测芯片表面的静电分布，为芯片的静电防护提供有力的支撑。本发明具有结构简单、高精度、响应速度快等优点。
本发明所采用的技术方案是，一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，包括电容扫描探头，光纤电场传感器，光纤传感器解调仪，计算机；电容扫描探头的两端口输出与光纤电场传感器的敏感材料两极相连，光纤电场传感器的光纤接口与光纤传感器解调仪上的通道相连，光纤传感器解调仪的通信接口端与计算机的输入端口相连；光纤电场传感器还包括亚克力管以及压电陶瓷片；亚克力管内设置有塑胶板，亚克力管的一端设置有压电陶瓷片；塑胶板上固定有同亚克力管轴向布置的沿陶瓷插针，压电陶瓷片与陶瓷插针呈垂直设置，陶瓷插针端口与光纤接口相连，压电陶瓷片两面镀有电极，两个电极通过传输导线分别与电容扫描探头相连。
本发明的特点还在于，
进一步地，光纤电场传感器的外层由亚克力板拼接而成，整体长度为28mm，其截面为规则的矩形，形成长宽为20×15mm内部空腔的亚克力管。其内部塑胶板的长宽略小于截面的长宽尺寸，保证塑胶板能够置于亚克力管内部，在塑胶板的中心处设有能够通过陶瓷插针的圆孔，将陶瓷插针与塑胶板作可靠连接后置于亚克力管内部，放置时，陶瓷插针的端部与亚克力管的末端之间留有微小缝隙。将矩形的压电陶瓷片置于亚克力管的末端，压电陶瓷片与陶瓷插针之间的距离构成法珀腔，固定法珀腔的大小后，光纤电场传感器各部件能够进行可靠的粘接和固定。
电容扫描探头内部主要由体积较小的贴片电容和固定导线组成，电容扫描探头使用型号为01005(尺寸为0.4×0.2mm)的小型贴片电容(0.1pF)，用于检测芯片表面微小的电位变化，电容扫描探头的端部面积为0.5mm2。当扫描探头中的电容量发生变化，压电陶瓷两端会产生相应的电势，从而使其发生微小的形变，进而导致法珀腔的腔体长发生变化，光纤传感器解调仪将根据法珀腔的变化将信息传送至计算机上处理和分析，由于压电陶瓷产生的应变和施加电场满足以下关系：
S＝dtE
式中S为压电陶瓷表面的形变量，dt为逆压电系数，E为压电陶瓷两端的电场强度，测量时根据形变和逆压电系数可以求出压电陶瓷所加电场进而求出所测电场强度，再通过以下关系：
Q＝CU
Figure BDA0003044140200000031
式中C电容扫描探头中贴片电容的电容值，U为贴片电容两端的电压值，d为电容中两极间的距离，通过计算机的处理可以得到电容两端的电压和所存储的电荷量大小，再通过换算和对应得出芯片所测位置的静电电势大小，并且能够时刻反映芯片表面不同位置的静电电势大小。
陶瓷插针穿过塑胶板的中心位置，塑胶板与压电陶瓷片平行放置
光纤采用了单模光纤，其光纤接口类型为FC/APC
本发明的有益效果是：
本发明使用尺寸为0.4×0.2mm的贴片电容(0.1pF)进行芯片表面电荷的感应，从而构成电容扫描探头，能够有效的扫描芯片表面不同的位置，得到芯片表面的静电分布。
本发明的敏感器件采用压电陶瓷片，结合光学测量技术能实现对电场测量的精准性和快速性，同时光纤与陶瓷插针和连接使用可以更好的保证光信号的传输。
本发明提供一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器。本发明装置具有结构简单、测量精度高、使用稳定性好、抗干扰能力强等优点，可广泛应用于芯片制造和科研领域。
附图说明
图1为芯片封装静电测量的原理图。
图2为光纤电场传感器测量的原理图。
图中，1.电容扫描探头，2.光纤电场传感器，3.计算机，4.光纤传感器解调仪，5.光纤接口，6.陶瓷插针，7.塑胶板，8.亚克力管，9.压电陶瓷片，10.传输导线。
具体实施方式
下面将结合附图和实际操作对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
在图1中，电容扫描探头1中设有型号为01005的贴片电容，探头的下端面与被测芯片表面平行，电容的两极与输出导线相连，输出导线与光纤电场传感器2的传输导线10相连。光纤电场传感器2的光纤端5与光纤传感器解调仪4相连，光纤传感器解调仪的输出型号与计算机3相连，进行数据的处理和分析。
在图2中，是塑胶板7与是亚克力腔体8的内表面可靠贴合，亚克力腔体8整体长度为28mm，其截面为规则的矩形，长宽为20×15mm，内部塑胶板7的长宽略小于截面的长宽尺寸，光纤5与陶瓷插针6处于同一水平位置，陶瓷插针6穿过塑胶板7的中心位置，压电陶瓷片9置于亚克力腔体8的末端，大小为20×15mm，陶瓷插针6的前端与压电陶瓷片9之间留有微小缝隙，压电陶瓷片9与陶瓷插针6之间的微小间距构成法珀腔，塑胶板7与压电陶瓷片9平行放置。
所述的压电陶瓷片9两端镀有铜电极，分别与10传输导线相连；
所述的光纤采用了单模光纤，其接口类型为FC/APC；
所述的压电陶瓷片的大小为20×15mm的矩形；
本发明的工作原理：
压电陶瓷与陶瓷插针的端面构成微小间隙，从而形成以空气为介质的法珀腔，此法珀腔包含两个反射端面，一个反射端面是与光纤相连的陶瓷插针，另一个反射端面是压电陶瓷靠近陶瓷插针的端面，当电容探头感应到芯片表面的静电电荷时，压电陶瓷两端就会产生电势，压电陶瓷片会产生形变而改变所述法珀腔的腔体长度，根据F-P干涉原理，腔长的变化会使光纤发射的光信号发生改变，再通过光纤传感器解调仪将光信号的变化转化为法珀腔腔长的变化，再根据逆压电系数计算施加电场的大小，根据电容的大小，可计算出电容两端的电荷量和感应场强大小，通过计算机将电场信息转化为所测芯片表面电势的大小，从而实现对芯片表面静电电势的测量，并且该测量传感器能够时刻反映芯片表面静电电势的变化情况，为静电防护提供了必要的参考。
测量步骤如下所示：
1)将电容扫面探头、光纤电场传感器、光纤传感器解调仪和计算机依次连接好之后，检查光学信号的导通情况。
2)将电容扫描探头放置于被测芯片上方1～3mm处，并且扫描探头的下端面须与被测芯片上表面保持平行。
3)电容探头中的贴片电容收集感应电荷，同时给电容充电。
4)贴片电容与压电陶瓷两端面的电极相连，压电陶瓷两端的电场强度发生变化，压电陶瓷在厚度方向上发生一定量的形变。
5)压电陶瓷和陶瓷插针端面构成的法珀腔腔长发生变化，通过光纤传感器解调仪将信号传递到计算机上。
6)计算机获得解调后的信号，从而获得场强的大小，进而获得芯片表面静电电荷的大小。

Claims (5)

1.一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，其特征在于，包括电容扫描探头(1)，光纤电场传感器(2)，光纤传感器解调仪(4)，计算机(3)；所述电容扫描探头(1)的两端口输出与光纤电场传感器(2)的敏感材料两极相连，所述光纤电场传感器(2)的光纤接口(5)与光纤传感器解调仪(4)上的通道相连，所述光纤传感器解调仪(4)的通信接口端与计算机(3)的输入端口相连；所述光纤电场传感器(2)包括亚克力管(8)以及压电陶瓷片(9)；所述亚克力管(8)内设置有塑胶板(7)，所述亚克力管(8)的一端设置有压电陶瓷片(9)；所述塑胶板(7)上固定有同亚克力管(8)轴向布置的沿陶瓷插针(6)，所述压电陶瓷片(9)与陶瓷插针(6)呈垂直设置，所述陶瓷插针(6)端口与光纤接口(5)相连，所述压电陶瓷片(9)两面镀有电极，两个电极通过传输导线(10)分别与电容扫描探头(1)相连；
所述光纤电场传感器(2)的外层由亚克力板拼接而成，整体长度为28mm，其截面为规则的矩形，长宽为20×15mm，形成内部空腔的亚克力管(8)；
所述陶瓷插针(6)的端部与亚克力管(8)的末端之间留有缝隙；
所述电容扫描探头(1)内部主要由体积较小的贴片电容和固定导线组成，电容扫描探头使用型号为01005的小型贴片电容，电容为0.1pF，用于检测芯片表面微小的电位变化，电容扫描探头(1)的端部面积为0.5mm2。
2.根据权利要求1所述的一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，其特征在于，所述塑胶板(7)的长宽略小于亚克力管(8)内部横截面的尺寸，保证塑胶板(7)能够置于亚克力管内部。
3.根据权利要求1所述的一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，其特征在于，所述陶瓷插针(6)穿过塑胶板(7)的中心位置，塑胶板(7)与压电陶瓷片(9)平行放置。
4.根据权利要求1所述的一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，其特征在于，所述压电陶瓷片(9)大小为20×15mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于F-P干涉原理的芯片封装静电测量传感器，其特征在于，所述光纤采用了单模光纤，其光纤接口类型为FC/APC。
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