丁 毅，紀青松，崔 潔

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

自20世紀90年代以來，作為IT 產(chǎn)業(yè)動力源的微電子產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，其中芯片封裝產(chǎn)業(yè)變得更為重要，引線鍵合機在電子封裝過程中有著重要的地位，引線鍵合技術具有生產(chǎn)成本低，精度高，以及焊點可靠性高等優(yōu)點，成為芯片后封裝的主流工藝。在鍵合過程中，對芯片引腳阻抗的實時監(jiān)測具有十分重要的意義。交流阻抗法，是用一種以小振幅的正弦波電流或電壓信號作激勵對系統(tǒng)進行擾動，然后測定其響應信號的測量方法。交流阻抗法是在一個穩(wěn)態(tài)下施加一個小的擾動，是一種準穩(wěn)態(tài)方法。該方法的優(yōu)點在于可避免擾動對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，使擾動與系統(tǒng)的響應之間保持近似的線性關系，從而使測量結果的數(shù)學處理變得簡單[2-4]。

1 阻抗模型的建立及其意義

阻抗模型包含可以表示測量芯片引腳性能的大量信息，建立正確的芯片引腳阻抗模型具有重要意義。由電子學知識我們知道滿足阻抗三個基本條件的電學元件只有三種：電阻、電容、電感。芯片的每一個引腳都具有特定的阻抗，或者說每個引腳具有特定的傳遞函數(shù)，在控制理論中研究者用傳遞函數(shù)來描述對物理系統(tǒng)的擾動與物理系統(tǒng)響應之間的關系，故當給每個傳遞函數(shù)不同的引腳施加相同的擾動后所得到的響應肯定是不同的，由此可以得到如下結論：擾動施加在每個引腳上的響應與擾動施加在阻抗無窮大的引腳上的響應是不同的，這便是阻抗模型在引線鍵合過程中的意義所在。可以通過對不同模型響應的變化來判斷焊線是否成功，焊線不成功阻抗為無窮大，焊線成功后阻抗明顯降低。圖1為電阻和電容并聯(lián)的阻抗譜圖，圖2為電阻和電感并聯(lián)的阻抗譜圖，圖3為某芯片引腳的等效電路，圖4為某芯片引腳的阻抗譜圖。

圖1 (RC)阻抗復平面圖

圖2 (RL)阻抗復平面圖

圖3 某芯片引腳的阻抗模型

圖4 某芯片引腳阻抗譜圖

2 系統(tǒng)結構及測量原理

在提出阻抗測量的基本思想和設計原理之后，需要對阻抗監(jiān)測系統(tǒng)有一個總體的規(guī)劃，具體表現(xiàn)為比較大的模塊設計，阻抗測量頻率的選取以及信號的大小等參數(shù)指標的設計。具體到電路的設計上，作者參考了近幾年主要內阻測試電路以及原理，具體實現(xiàn)了擴大擾動源信號范圍，增加CPLD 控制以實現(xiàn)多參數(shù)控制?？傮w規(guī)劃主要模塊包括四部分：

（1）信號發(fā)生模塊，該模塊主要產(chǎn)生需要的交流信號；

（2）相關運算電路模塊，由AD630 實現(xiàn)；

（3）信號采集模塊，相關運算之后產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過濾波和放大后輸入A/D；

（4）信號處理及上下位機通信模塊。

系統(tǒng)結構如圖5所示。

圖5 測量系統(tǒng)框架圖

2.1 信號發(fā)生模塊

在阻抗測量中，通常采用對被測物體施加小信號交流電流信號，測量其兩端電壓信號。為了準確測量阻抗，對不同的模型可能采用不同信號頻率，為此設計多達5 種不同的頻率，經(jīng)檢驗能滿足本常見的芯片檢測。交流信號源模塊通過DDS 產(chǎn)生正弦電壓信號。DDS（Direct Digital Synthesizer）是采用數(shù)字化技術，通過控制相位的變化速度，具有低成本、高分辨率和快速轉換時間等優(yōu)點，可以直接產(chǎn)生各種不同頻率信號的一種頻率合成方法。DDS 的基本結構如圖6所示，它主要由控制字、相位累加器、波形存儲器即正弦ROM 表、D/A轉換器和低通濾波器構成。

圖6 DDS 原理圖

AD9834 是一款75 MHz、低功耗DDS 器件，能夠產(chǎn)生高性能正弦波和三角波輸出。AD9834 提供相位調制和頻率調制功能，頻率寄存器為28位；時鐘速率為75 MHz，可以實現(xiàn)0.28 Hz 的分辨率。同樣，時鐘速率為1 MHz 時，AD9834 可以實現(xiàn)0.004 Hz 的分辨率。影響頻率和相位調制的方法是通過串行接口加載寄存器，然后通過FSELECT/PSELECT 引腳切換寄存器。AD9834 通過一個三線式串行接口寫入數(shù)據(jù)。該串行接口能夠以最高40 MHz 的時鐘速率工作，并且與DSP 和微控制器標準兼容。該器件采用2.3 V 至5.5 V 電源供電。模擬和數(shù)字部分彼此獨立，可以采用不同的電源供電；其具體電路如圖7。

圖7 AD9834 產(chǎn)生頻率可變信號電路圖

2.2 相關運算及相敏檢波器

相關反映了兩個函數(shù)由一定關系，如果兩個函數(shù)的乘積對時間的積分不為零，則表明這兩個函數(shù)相關。相關按概念分為自相關和互相關，微弱信號中一般采用抗干擾能力強的互相關檢測。

放大后的參考信號為：

其中A 為放大器增益。

經(jīng)被測物體后放大電壓為：

其中B 為放大器增益，n(t)為噪聲。電路設計如圖6。

利用相關運算法進行計算，原理如下：

設X(t)是伴有噪聲的周期信號，即：

其中，S(t)為有用信號，其幅值為A，角頻率為ω，初相角φ，N(t)為隨機噪聲。

參考正弦信號為：Y(t)=B sinω(t+τ)，其中τ是時間位移。則兩者的相關函數(shù)為：

由于參考信號Y(t)與隨機噪聲N(t)互不相關，所以Rny(τ)=0，于是有：Rxy(τ)=cos(ωt+φ)，從而得出Rxy(τ)正比于有用信號的幅值。

鎖相放大器的核心部分是相敏檢波器（phase-sensitive detector，簡稱PSD），也有稱它為混頻器（mixer），它實際上是一個乘法器。加在信號輸入端的信號經(jīng)濾波器會晤調諧放大器后加到PSD的一個輸入端。在參考輸入端加一個與被測信號頻率相同的正弦波（或方波）信號，經(jīng)觸發(fā)整形和移相變成方波信號，加到PSD 的另一個輸入端。

相關器采用AD 公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調制器，內部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr 薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。它的信號處理應用包括平衡調制和解調、同步檢測、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大和方波乘法等。AD630 邏輯圖如圖8所示，其內部可以被認為是集成了兩個前置放大器，一個用來選通前置放大器的精密比較器，一個作為多路選擇開關以及輸出級積分運算放大器。擁有高切換速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應時間快速，可使開關失真降至最低。此外，還有極低的通道間串擾。AD630 通常用于高精度的信號處理以及動態(tài)范圍寬的儀器設備。在鎖相放大電路中，當其用作同步解調器時，可以恢復在100 dB 噪聲背景下的微弱信號，其電路連接見圖9。

圖8 AD630 原理圖

圖9 AD630 電路圖

圖10 AD630 輸入及輸出波形圖

3 結果及分析

該系統(tǒng)在生產(chǎn)線已經(jīng)連續(xù)使用一年時間，效果良好，起到了監(jiān)控效果，圖11是某芯片在焊接過程中系統(tǒng)監(jiān)測到的阻抗變化，也可以將數(shù)據(jù)通過串口或者網(wǎng)口傳送給上位機，更加方便的使用。

圖11 芯片焊接過程系統(tǒng)監(jiān)測圖

4 結束語

本設計采用DSP 與CPLD 作為核心處理器，在數(shù)據(jù)處理上有較大優(yōu)勢，完全可以滿足封裝設備高速化的要求，且外圍電路設計比較簡單，可以進行系統(tǒng)擴展。該監(jiān)測具有體積小、質量輕、智能化特性，可移植性好等優(yōu)點。當然設計中存在一些問題，如：某些芯片引腳阻抗很大，超過了20 MΩ，這時候系統(tǒng)監(jiān)測便失去了作用。一些阻抗模型中存在容性或感性成分比較明顯時，高頻率是有用的，但這也對系統(tǒng)測量帶寬提出了更高的要求。

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