用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备的制作方法

本发明属于半导体测试技术领域，一种用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备，可用于晶片级元器件与集成电路电离辐射损伤效应的测试与分析。

背景技术：

抗辐射加固新型电子元器件是航天技术进步与可持续发展的重要基础。当前，发展基于标准工艺线的器件设计加固和发展标准加固工艺是国内外元器件抗辐射加固技术的发展趋势，建立辐射效应工艺开发包和抗辐射器件模型库，是实现器件设计加固和发展标准加固工艺的前提条件。通过辐照与测试，掌握基于标准工艺线的器件辐射效应规律，获得辐射效应作用下的器件模型参数，是建立辐射效应工艺开发包和抗辐射器件模型库的基础与关键技术。

目前国际上普遍采用的方法是对已封装器件进行辐照试验与离线测试，以获取辐射效应模型参数，该方法的缺陷已越来越明显：一方面，器件和电路封装后进行辐照试验会受到封装材料、封装结构、金属引线等因素的影响，使辐射效应参数的提取产生偏差，并且封装设备、封装环境及封装过程也可引起器件参数的变化，因此要有效提取器件的辐射效应参数的最好办法是对晶片级器件进行辐照与测试。另一方面，器件的辐射敏感参数受环境和时间的影响较大，所以需要对其进行辐射效应参数在线实时测试，才能准确提取辐射效应模型参数。但是，目前还没有相应设备能实现晶片级器件的辐照试验与参数实时测试，严重制约了新型电子元器件抗辐射加固技术的发展。

本发明将建立一套同时具备晶片级器件辐照、辐射敏感参数在线提取与实时监测的试验设备，为基于标准工艺线的器件辐射效应模拟试验、器件辐射效应模型参数提取提供试验条件。该设备的推广应用，将形成面向抗辐射加固领域的辐射效应参数获取、建模专业服务平台，为器件研发部门提供电子元器件抗辐射加固共性技术支撑，提升电子元器件抗辐射加固的基础支撑能力。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为了解决晶片级器件与电路辐照、辐射敏感参数在线提取与实时监测的技术难题，提供一种用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备。该设备是由X射线辐照装置、显微成像装置、探针台、冷却与空气循环装置、辐射测量装置、控制与测试分系统、框架、水平导轨、高压程控电源、X射线控制器、UNIDOS剂量仪、控制计算机、半导体参数测试仪、示波器和矩阵开关组成，该设备将X射线辐照装置、半导体测试探针台、机械运动控制框架等改造、集成，形成完备的辐照测试设备，实现晶片级器件的辐照与在线辐射效应参数提取及实时监测；并实现辐照测试的一体化、操作的自动化，可显著提高辐照与测试的稳定性与效率。该设备直接对晶片级器件进行试验，摒除了器件封装材料、封装结构、引线及封装过程引入的一些不确定因素的影响，可显著降低参数提取的偏差；消除了辐照、测试环境交替以及测试时间延迟给试验结果带来的影响。该设备的应用相比于现有的元器件辐照试验方法，可大幅降低成本、显著提高试验效率，其在器件研制部门、工艺开发部门的推广具有重要的经济效益与应用价值。

本发明所述的一种用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备，该设备是由X射线辐照装置、显微成像装置、探针台、冷却与空气循环装置、辐射测量装置、控制与测试分系统、框架、水平导轨、高压程控电源、X射线控制器、UNIDOS剂量仪、控制计算机、半导体参数测试仪、示波器和矩阵开关组成，在框架(1)的顶端设置有冷却与空气循环装置(4)，冷却与空气循环装置(4)通过电缆与控制与控制计算机(14)连接；在框架(1)内中部设置有探针台(6)，在探针台(6)中间设置有放置晶片级器件(9)的卡盘，在探针台(6)四周分别吸附有对称的探针座(10)，通过探针与晶片级器件(9)建立电学连接关系；在探针台(6)两侧固定有水平导轨(8)，X射线辐照装置(2)和显微成像装置(5)分别安装在水平导轨(8)上；在探针台(6)的一侧固定辐射测量装置(3)，与UNIDOS剂量仪(13)相连；在探针台(6)底部的机柜中分别设置有高压程控电源(11)、X射线控制器(12)和UNIDOS剂量仪(13)；高压程控电源(11)通过高压电缆为X射线辐照装置(2)提供电源输入；X射线控制器(12)通过电缆为高压程控电源(11)输入控制指令；在控制与测试分系统(7)中分别有控制计算机(14)、半导体参数测试仪(15)、示波器(16)和矩阵开关(17)；半导体参数测试仪(15)通过电缆连接矩阵开关(17)；控制计算机(14)通过电缆分别控制X射线控制器(12)、显微成像装置(5)和框架(1)；矩阵开关(17)和示波器(16)通过同轴电缆与探针座连接，具体操作按下列步骤进行：

a、将晶片级器件(9)放置在探针台(6)中卡盘中心吸附固定，并用同轴电缆连接探针座(10)与示波器(16)；

b、在显微成像装置(5)的视野下调节探针座(10)，将探针扎在晶片级器件(9)的测试触点上，并将显微成像装置(5)移开；

c、将X射线辐照装置(2)移至晶片级器件(9)的上方，出束口与晶片级器件(9)对准；

d、通过控制计算机(14)设置X射线能量、束流和辐照时间，并开始辐照，同时开启冷却与空气循环装置(4)，在测试模式下，矩阵开关(17)通过同轴电缆连接探针座(10)，半导体参数测试仪(15)通过电缆控制矩阵开关(17)；

e、辐照过程中通过示波器监测晶片级器件(9)的参数是否正常，在辐照监测模式下，示波器(16)通过同轴电缆连接探针座(10)，对晶片级器件(9)进行监测；剂量仪(13)通过电缆获取辐射测量装置(3)的测量数据；

f、辐照结束后将晶片级器件(9)与矩阵开关(17)连接，通过半导体参数测试仪(15)对辐照后的晶片级器件(9)进行参数测试。

本发明所述的一种用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备，其中各部分的功能是：

设备框架(1)用作设备的辅助、支撑、位置调节功能。

X射线辐照装置(2)用于被测晶圆级样品的辐照。

辐射测量装置(3)用于X射线的剂量测量。

冷却与空气循环装置(4)用于X光管温度控制。

显微成像装置(5)用于测试过程中样品的观察。

探针台(6)用于被测晶片级器件的夹持固定。

控制与测试分系统(7)用于X射线辐照装置的控制和晶片级器件参数的测试。

水平导轨(8)用于显微成像装置的位置调节。

晶片级器件(9)为待测样品。

探针座(10)用于建立器件测试的连接。

高压程控电源(11)用于X射线辐照装置(2)电源提供。

X射线控制器(12)用于输出电压和电流的控制。

UNIDOS剂量仪(13)用于获取辐射测量装置(3)的测试数据。

控制计算机(14)用于X射线辐照装置(2)能量及束流控制、冷却与空气循环装置(4)的控制、及设备框架(1)的位置调节控制。

半导体参数测试仪(15)用于待测样品的参数测试。

示波器(16)用于辐照中待测样品状态的监测。

矩阵开关(17)用于测试通道的切换。

本发明所述的用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备，其中探针台(6)由通常的探针台改造而成，使显微成像装置(5)与探针台(6)完全分离，并通过三维可调平台安装于一个水平导轨(8)上，使其可处于探针台(6)的上方。通过调节显微成像装置(5)左右方向的水平位置，可向下对准探针台(6)卡盘，显微成像装置(5)前后方向的水平位置、垂直位置均可通过三维可调平台进行调节，以保证显微成像装置(5)能精确对准探针台(6)卡盘上夹持的晶片级器件(9)，并聚焦成像，如图2所示；

X射线辐照装置(2)通过三维可调平台与显微成像装置(5)并列安装于水平导轨(8)上，通过调节X射线辐照装置(2)左右方向的水平位置，可向下对准探针台卡盘，X射线辐照装置(2)前后方向的水平位置、垂直位置均可通过三维可调平台进行调节，以保证在辐射X光时能精确对准探针台(6)卡盘上夹持的晶片级器件(9)，并通过调节距离在一定范围内控制晶片级器件(9)上的辐照剂量率。通过X射线控制器(12)控制输出电压和电流，从而控制X射线的能量和剂量率如图3所示；

辐射测量装置(3)与探针台(6)并列放置在设备框架(1)内，进行辐照测试时，辐射测量装置(3)的探头与探针台(6)卡盘上夹持的晶片级器件(9)的垂直位置保持一致，显微成像装置(5)与X射线辐照装置(2)均可通过调节其水平导轨(8)上的位置交替精确对准探针台(6)卡盘上夹持的晶片器件(9)；X射线辐照装置(2)还可通过调节其水平导轨(8)上左右方向的水平位置，以对准辐射测量装置(3)的探头。

通过调节水平、垂直导轨定位X射线辐照装置(2)和显微成像装置(5)；通过铅屏蔽门屏蔽多余的X射线辐射；通过机柜中的高压程控电源(11)、X射线控制器(12)和UNIDOS剂量仪(13)实现控制、测试设备的集中程控。

本发明所述的用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备，与已有技术相比具有以下创新点：

1.将常规探针台进行改造，并与X射线辐照装置结合，实现了晶片级器件的加偏辐照；

2.将探针台与参数测试设备结合，可实现参数的在线实时测试；

3.设备可适应不同种类晶片级器件的辐照与测试，且结构一体化、操作自动化，有利于辐射效应参数全面准确的提取。

本发明所述的用于晶片级器件辐射效应试验的X射线辐照测试设备，与已有技术相比具有以下显著优点：

1.直接对晶片级器件或电路进行辐照测试，摒除了器件封装材料、封装结构、引线及封装环境和过程引入的一些不确定因素对辐照测试结果的影响，可显著降低参数提取的偏差；

2.可实现辐照后晶片级器件参数即时测试、实时在线监测，消除了辐照、测试环境交替以及测试时间延迟给试验结果带来的影响；

3.该设备的应用相比于现有的元器件辐照试验方法，可大幅降低试验成本、显著提高试验效率，对于商用代工线的抗辐射特性监测、评估是良好的解决方案。

附图说明：

图1为X射线晶片辐照测试设备的框图；

图2为设备中的测试探针台示意图；

图3为X射线辐照与显微成像装置框图；

图4为X射线晶片辐照测试设备的实施例示意图。

具体实施方式

实施例

本发明的基本思想是将常规探针台进行改造，并与X射线辐照装置进行系统集成，然后再集成冷却与空气循环装置、辐射测量装置、控制与测试分系统、设备框架，构成完整的X射线晶片辐照测试设备，图4显示了X射线晶片辐照测试设备的实施例示意图：

探针台6包括8吋半自动探针台主体、2套探卡、6套活动探针座10，探针台6与显微成像装置5分离；

X射线辐照装置2由5-160kV的X射线管、高压程控电源和控制器组成，显微成像装置5由8吋半自动探针台原配的显微成像装置改造而成，装配有1280×1024分辨率的CMOS相机；

冷却与空气循环装置4由水冷机与空气泵组成，为X射线辐照装置2提供水循环冷却，保持辐照源工作于合适的温度；并使辐照室内的空气动态循环，以防止辐照产生的臭氧影响晶片级器件，并保持辐照室内的洁净度与干燥度；

辐射测量装置3由辐射测量装置与UNIDOS剂量仪13组成，对X射线管发出的射线进行能量、剂量率、稳定性进行监测，并定期校准；

设备框架1是实现整套设备结构一体化、操作自动化的关键部分，用于安装、固定各个装置，提供X射线辐照装置2、显微成像装置5的位置调节与精确定位，主要包括：辐照屏蔽室和三维精密调整框架；辐照屏蔽室采用钢板、铅、铅玻璃等材料制作，容纳X射线辐照装置2、显微成像装置5、探针台6；水平导轨8将X射线辐照装置2、显微成像装置5固定其上，通过三维精密调整框架进行三维调整，使放置于探针台6上的被测晶片级器件9与X射线辐照装置2或显微成像装置5对准，

控制与测试分系统7中包括：分别设置有控制计算机14、半导体参数测试仪15、示波器16和矩阵开关17，控制计算机14作为设备的软硬件接口，实现控制与测试分系统7和其它各装置之间的软硬件连接，对框架1、X射线辐照装置2、显微成像装置5进行控制；半导体参数测试仪15提供半导体专用测试通道、信号采集与监测通道，自带的软件操作界面可对晶片级器件9进行参数测试，并控制矩阵开关17进行通道切换。

在框架1的顶端设置有冷却与空气循环装置4，冷却与空气循环装置4通过电缆与控制与控制计算机14连接；在框架1内中部设置有探针台6，在探针台6中间设置有放置晶片级器件9的卡盘，在探针台6四周分别吸附有对称的探针座10，通过探针与晶片级器件9建立电学连接关系；在探针台6两侧固定有水平导轨8，X射线辐照装置2和显微成像装置5分别安装在水平导轨8上；在探针台6的一侧固定辐射测量装置3，与UNIDOS剂量仪13相连；在探针台6底部的机柜中分别设置有高压程控电源11、X射线控制器12和UNIDOS剂量仪13；高压程控电源11通过高压电缆为X射线辐照装置2提供电源输入；X射线控制器12通过电缆为高压程控电源11输入控制指令；在控制与测试分系统7中分别有控制计算机14、半导体参数测试仪15、示波器16和矩阵开关17；半导体参数测试仪15通过电缆连接矩阵开关17；控制计算机14通过电缆分别控制X射线控制器12、显微成像装置5和框架1；矩阵开关17和示波器16通过同轴电缆与探针座10连接，具体操作按下列步骤进行：

a、将晶片级器件9放置在探针台6中卡盘中心吸附固定，并用同轴电缆连接探针座10与示波器16；

b、在显微成像装置5的视野下调节探针座10，将探针扎在晶片级器件9的测试触点上，并将显微成像装置5移开；

c、将X射线辐照装置2移至晶片级器件9的上方，出束口与晶片级器件9对准；

d、通过控制计算机14设置X射线能量、束流和辐照时间，并开始辐照，同时开启冷却与空气循环装置4，在测试模式下，矩阵开关17通过同轴电缆连接探针座10，半导体参数测试仪15通过电缆控制矩阵开关17；

e、辐照过程中通过示波器监测晶片级器件9的参数是否正常，在辐照监测模式下，示波器16通过同轴电缆连接探针座10，对晶片级器件9进行监测；剂量仪13通过电缆获取辐射测量装置3的测量数据；

f、辐照结束后将晶片级器件9与矩阵开关17连接，通过半导体参数测试仪15对辐照后的晶片级器件9进行参数测试。