CC BY
41
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 381 625
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ФОТОЕМКОСТНЫХ ПРИЕМНИКОВ
ЛУКАШЕНКО В.М.
Предлагается повысить качество микросборок гибридных интегральных микросхем, набора из 32-х элементных фотоемкостных приемников путем использования оригинальной схемы сканера, обеспечивающего его контролепригодность, на основе верификации и введения диагностирования шин параллельного подключения контактов на этапе последовательного наращивания интегральных микросхем. Простая коррекция получаемых результатов контроля с элементной структурой приемника создает возможность при диагностировании своевременно обнаружить и устранить технологические дефекты и ошибки разработчика.
Высокий уровень качества ряда информационновычислительных систем, аэронавигационных и бытовых приборов обеспечивается использованием многоэлементных приемников излучения оптического и инфракрасного диапазона микроэлектронного исполнения. Устройства, выполненные на принципах функциональной электроники с использованием зарядовых пакетов в качестве динамической неоднородно -сти, обладают значительными возможностями для повышения плотности их упаковки и процента выхода годных кристаллов с платины и в целом прибора. Разработка и изготовление приборов сопровождаются большим количеством контрольно-измерительных операций поэтапно: на стадии разработки; на стадии изготовления; на стадии испытания. Цель — своевременная отбраковка и исправление д ефектных изделий на различных этапах изготовления.
Известно, что функциональная специальная проверка обеспечивает анализ типа неисправностей и их локализацию. Этот контроль наиболее эффективен с экономической точки зрения при сборке и испытаниях гибридных интегральных микросхем (ГИМС), где в принципе возможна замена неисправной ИМС на общей подложке. Отсюда наибольший интерес проявляется к организации производственного контроля многоэлементных фотоемкостных приемников.
Обычно [1, 2] экспериментальный стенд для исследования и испытания БИС или ГИМС фотоприемника включает абсолютно черное тело (АЧТ), которое является источником излучения с регулируемым расстоянием, криостат с температурой 77К для исследования и испытания в температурном режиме 77300К, формирователь импульсов управления, стандартные приборы питания и контроля параметров в статическом и динамическом режимах. Матрица
фоточувствительного элемента (МФЧЭ) имеет электронное обрамление, включающее схемы управления столбцами и строками матрицы (сканер), мультиплексор, схемы предварительного усиления сигнала и двойной коррелированной выборки.
Во время сборки ГИМС на общей плате промежуточного этапа технологического процесса использовать этот стенд затруднительно и непроизводительно.
Известно, что на сборку поступают годные модули. Но по ряду причин - скрытый технологический дефект, характеризующий производственную надежность, отклонение от технологии вследствие ошибки оператора—прибор после сборки не отвечает требованиям технического задания.
Проверка на функционирование — трудоемка, требует высокой квалификации сборщика, что ведет к высокой стоимости прибора.
Действительно, при наращивании информационной емкости ГИМС, когда управляющие шины, шины питания и выходные шины m-го числа микромодулей ИМС подключаются параллельно на общей подложке, не всегда удается определить локальный дефект. Кроме того, для решения этой проблемы на этапе технологического перехода при последовательной установке микромодулей ИМС на общую подложку актуальным является выбор контролируемого параметра, который был бы прост при операции измерений. Позитивный эффект — простая корреляция получаемых результатов контроля с элементной структурой прибора, что создает хорошие предпосылки для диагностирования, обнаружения и исправления дефектов. Поэтому на этапе установки каждой j-й БИС или ИМС при последовательной диагностике предлагается взять за контролируемый параметр вольт-амперные характеристики контактов общих шин, к которым подключаются соответствующие p—n переходы или затворы ячеек, согласно принципиальной электрической схеме. Измерительным является прибор типа ПНХТ, позволяющий воспроизвести вольт-амперные зависимости проверяемых контактов, причем он устанавливается на рабочем месте сборщика, что предотвращает и исключает возможность появления пробоя диэлектриков или p—n переходов от статического электриче-
Рис. 1. Вольтамперные характеристики p-n переходов
12
РИ, 1999, № 3
ства, различных видов технологических ошибок операторов. Метод контроля очень прост, не требует высокой квалификации сборщика. По осциллограмме прибора (рис.1) по поводу прямой и обратной зависимостей вольт-амперной характеристики p—n перехода рабочий принимает решение о наличии соответствующего контакта с допустимыми параметрами и отсутствии пробоя в диэлектрике или в p—n переходе. Последовательный контроль каждого из m модулей ИМС легко поддается механизации и автоматизации. Появляется возможность упредить брак, указать конкретно на j-ю ИМС или БИС и заменить ее или исправить локальный дефект.
Анализ зависимостей, представленных на рис. 1, показал, что ИМС с вольт-амперной зависимостью 1 по параметру реального обратного напряжения (иобр) меньше допустимого напряжения идоп (иобр < идоп), следовательно, эту ИМС надо снять и заменить на годную.
На этапе проектирования применяются методы верификации прибора.
Известно, что при исследовании характеристик чувствительных матричных фотоемкостных элементов на основе InAs [1], на основе InSb [2] или подобных им учитывают требования по обеспечению функционирования и обработки с использованием дискретных методов. Сложность обработки сигнала заключается в снятии информации с фотоячейки, имеющей емкостные значения, которые в несколько раз меньше, чем у шин связи с ней. Иными словами, информационная емкость значительно меньше емкости нагрузки.
Поэтому конструктивно емкости шин связи должны быть минимальными, т.е. устройства снятия и передачи информационного сигнала должны выполняться, в лучшем случае, на одном кристалле или в виде микросборки. В качестве устройства снятия информации с затворов соответствующих фотоячеек матрицы применяют сканеры, имеющие на выходе двухпозиционные МДП-ключи [3, 5], с последовательным опросом затворов и передачи входных информационных сигналов на общую выходную шину для контроля. Однако процедура повторного опроса, в случае уточнения функционирования конкретного входа, выхода сканера или ячейки фотоэлемента для модуля [3], длительна и затруднительна.
Устранить этот недостаток предлагается новым схемотехническим решением сканирующего устройства [6] и способом [4] приема и передачи информационного сигнала на этапе проектирования.
Структурная схема модуля ИМС на n каналов по столбцу представлена на рис. 2, где УУ—устройство управления; сканер—устройство управления коммутатором; ФЭ — фотоэлементы матрицы.
Чтобы использовать всю энергию излучения, падающую на активную площадь матрицы ФЭ, напряжение накопления и импульс инжекции прикладываются к подложке. Поэтому все элементы, подключенные к шине Вх1, находятся в режиме накопления. Опрашиваемый элемент подключается к шине Вх 2, и накопленный заряд интегрируется в выходной емкости. При опросе каждого элемента матрицы ФЭ выходная емкость оказывается связанной с остальными элементами только через сопротивления закрытых транзисторов. Импульс инжекции одновременно подается и на шину Вх1. Это предотвращает считывание сигнала с не опрашиваемых элементов и позволяет непрерывно поддерживать режим накопления. Наличие коммутационного шума устраняется использованием двойной коррелированной выборки.
Поскольку проверка на функционирование каждой ячейки фотоэлемента осуществляется в режиме мультиплексирования и определяется структурной схемой сканирующего устройства, которое изготавливается на отдельном кристалле и может использо-
Рис.2. Структурная схема устройства с произвольной выборкой элементов фотоматрицы по столбцу
РИ, 1999, № 3
13
ваться как автономный прибор, то целесообразно рассмотреть более подробно работу сканера [6] (см. рис. 2). Код адреса ячейки через буферный усилитель 1 поступает на вход дешифратора 2 под воздействием выработанных генератором 8 тактовых импульсов и выделенных фазовым селектором 9 четной фазы, высокий уровень которой обеспечивается преобразователем 10 уровня напряжения. Одновременное появление кода адреса на входе 2 и четной фазы на выходе преобразователя 10 обеспечивается импульсами UT, при этом записывается логическая единица в регистр 3. Емкости выхода ячейки 4 памяти регистра 3 и затвора транзистора одного из ключей 5 обнуляются через открытый транзистор соответствующего ключа 7 разряда. При этом входы 12 либо обнуляются, либо заряжаются до потенциала второго выхода Вх2, либо переключается информация входов 12 на Вх2. С прекращением действия четного тактового импульса закрываются транзистор ключа 7 и соответствующий ключ 6. Потенциал выхода преобразователя 10 равен нулю, но в одной из ячеек памяти 4 сохраняется заряд. С приходом нечетного тактового импульса высокого уровня с преобразователя 11 импульс управления высокого потенциала поступает на затвор ключа 5, который открывается, и происходит коммутация информации на первый выход Вх1. При необходимости перепроверки і-го входа формируется соответствующий код, и оператор убеждается в получении повторной информации с этого входа. Достоинство в разработанном устройстве заложено в упрощение организации 100% контроля функционирования на неразделенной пластине. Кроме того, в схеме предусмотрены транзисторы сброса и преобразователи уровня напряжения для управления ключами, что позволяет защитить их. Использование импульсного питания уменьшает мощность рассеи-
вания, и благодаря “бутстрэпной” емкости в ячейке памяти увеличивается быстродействие прибора.
Таким образом, предложенные на этапе проектирования и изготовления — оригинальное схемотехническое решение сканера; на этапе промежуточной сборки модуля — технологический переход по проверке вольтамперных характеристик контактов; на этапе испытания — совокупность перечисленных выше предложений по отбраковке дефектных элементов изделий и своевременная их замена — обеспечит высокое качество прибора.
Литература: 1.Власова Е.О. и др. Фотоэлектрические характеристики матричного фоточувствительного элемента / / Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления. М.: МГИЭМ. 1997. С.412 - 414. 2. Канакин В.А. и др. Способы обработки и съема информации с фотоприемных устройств // Электронная техника для обработки изображений / Под ред. В.В. Малинина. Новосибирск: НТОРЭС им. А.С. Попова, 1980. С.20-21. 3. Бородин Б.Г. Фотоемкостной фазовый преобразователь оптических изображений // Теория и техника передачи, приема и обработки информации. X.: ХТУРЭ. 1999. С. 292-293. 4. Лукашенко В.М. Способы снятия информации с затворов твердотельных приемников изображения // Теория и техника передачи, приема и обработки информации. X.: ХТУРЭ. 1999. С. 290291. 5. Лукашенко В.М., Скуратов Е.Г., Суслов В.В. Маломощный многоканальный коммутатор Б1110КН1-2// Электронная промышленность. 1983. № 4. С. 23. 6. Лукашенко В.М. Запоминающее устройство. SU 1365127 A1. Бюл. №1. 1988. 4 с.
Поступила в редколлегию 23.09.99 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Шарапов В.М.
Лукашенко Валентина Максимовна, канд. техн. наук, доцент Черкасского инженерно-технологического института. Научные интересы: разработка научных основ создания элементов, схем устройств вычислительной техники и приборов для навигационных систем управления. Хобби: изобретательство и рыбалка. Адрес: Украина, 18021, Черкассы, ул. Гагарина, 55, тел. (0472)16-01-14.
14
РИ, 1999, № 3
