一种用于探测器读出芯片平行度校准的方法及系统
阅读说明：本技术 一种用于探测器读出芯片平行度校准的方法及系统 (Method and system for calibrating parallelism of read-out chip of detector ) 是由 蒋杰臣 孙亮 姜维春 徐玉朋 何会林 刘小桦 李鲜 杜园园 杨生 刘晓静 杨家卫 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于探测器读出芯片平行度校准的方法及系统。本方法为：1)将芯片模块固定在三维影像测量仪上；2)在芯片模块上确定出芯片的安装位置；3)在芯片模块的陶瓷边框上选择N个点,芯片上表面选择M个点；4)导出各所选点的三维坐标到数据处理单元,生成陶瓷边框的拟合面；5)以拟合面作为基准面,计算出芯片上每一所选点相对于基准面的距离；6)如果芯片上各所选点相对于该基准面的距离均为正值或负值,则找出一距离绝对值最小值,将芯片上各所选点对应的距离与该最小值的差值,作为对应点需要调节的幅度值；否则找出距离大于0的点中最大距离值,将芯片上各所选点对应的距离与该最大距离的差值,作为对应点调节的幅度值。(The invention discloses a method and a system for calibrating parallelism of a read-out chip of a detector. The method comprises the following steps: 1) fixing the chip module on a three-dimensional image measuring instrument; 2) determining the mounting position of a chip on a chip module; 3) selecting N points on a ceramic frame of a chip module, and selecting M points on the upper surface of the chip; 4) deriving the three-dimensional coordinates of each selected point to a data processing unit to generate a fitting surface of the ceramic frame; 5) taking the fitting surface as a reference surface, and calculating the distance of each selected point on the chip relative to the reference surface; 6) if the distance between each selected point on the chip and the reference surface is a positive value or a negative value, finding out a minimum absolute value of the distance, and taking the difference value between the distance corresponding to each selected point on the chip and the minimum absolute value as an amplitude value required to be adjusted by the corresponding point; otherwise, finding out the maximum distance value in the points with the distance greater than 0, and taking the difference value between the distance corresponding to each selected point on the chip and the maximum distance as the amplitude value adjusted by the corresponding point.)
技术领域
本发明属于探测器机械封装领域，涉及一种用于探测器读出芯片平行度校准方法及系统。
背景技术
气体像素探测器(GPD)是用于探测宇宙星体活动产生的偏振X射线并测量其偏振度的精密仪器，具有高位置分辨性能。GPD的两个重要模块是气体电子倍增器(GEM)和置于其下方的读出芯片(VLSI)；GEM的制作是基于光刻刻蚀技术，在50μm厚的聚酰亚胺膜上刻出直径50μm间隔50μm的锥形圆孔，其上下平面覆有5μm厚的铜层；VLSI芯片的制作基于0.18μmCMOS技术设计，其上表面是由六边形像素单元组成的感应电极，灵敏面积为15×15mm2，总共300×352个像素数。X射线偏振度的测量原理是当低能X射线(<几十KeV)被低密度介质所吸收，发射的光电子向感应电极漂移，经过GEM倍增后信号被芯片上表面的单元收集，从低能光电子的微分截面公式可知发射的光电子径迹在垂直于X射线传播方向的平面上将会呈分布，而值即为X射线的偏振度。由此可知X射线的偏振度测量精度强烈依赖于发射的光电子重建径迹，为了提高重建精度，减小径迹的畸变，在探测器封装过程中，我们需要保证芯片和倍增器之间面对面的平行度小于50μm。
从GPD的结构可知，倍增器GEM和芯片的陶瓷边框完全贴合，所以探测器封装前我们只需通过衡量芯片和陶瓷边框的平行度即可判断GEM和芯片表面的平行度是否满足需求，芯片模块如图1所示。图2为目前GPD芯片传统封装流程：首先在芯片粘接处涂上银浆，其常温固化时间在数十小时；然后在芯片的四个角分别选择四个测量点，同时在陶瓷边框上选择与之水平连线上相对应的四个点，最后通过聚焦显微镜给出芯片上和陶瓷边框上四个点的高度差并判断两平面的平行度是否大于50μm，对于超过要求的点采用手动调节直到所选四个点都满足要求即完成封装。在GPD芯片封装过程，这种平行度检测和校准方式存在以下不足之处：(1)测试平台自身的平整度会直接影响芯片和陶瓷边框面对面的平行度；(2)选点的位置和数量具有随机性，很难重复每一次平行度测量结果并保证其结果的可靠性；(3)缺少量化的校准过程，增加了校准时间，效率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于探测器读出芯片平行度校准的方法及系统。本发明的调平方法可适用于其它任何两个非凹平面的平行度校准，只需表面平整度误差远小于平行度要求即可。
本发明的技术方案为：
一种基于计算机指导探测器读出芯片平行度校准的方法，其步骤包括：
1)将芯片模块固定在三维影像测量仪测试平台上，在其表面任意选取一点作为原点并设定X、Y、Z的三轴方向；
2)将银浆均匀涂抹在芯片模块预设区域(芯片安装位置)并将芯片放置于此处；
3)在芯片模块的陶瓷边框上选择32个点来获取边框拟合平面，芯片上表面选择49个点；
4)将仪器给出的所有选点的三维坐标导出，通过计算机离线分析给出空间平面函数Ax+By+Cz+D＝0中的A、B、C、D参数值，即可知道陶瓷边框的拟合平面；也可以采用该方法得到获取到芯片平面，进而观察两平面平行度。
5)以陶瓷拟合平面作为基准面，根据平面外一点到基准面的距离公式可以算出芯片上所选点相对于基准面的距离，规定芯片选点在基准面下方计算的距离为正值；
6)如果芯片上所选点计算得到的距离数值同号，找出芯片上选择的49个点中距离的最小绝对值，将所选点对应的距离减去这一数值，得到每一个点需要调节的幅度值；如果选择的点中计算的距离数值存在异号，找出距离大于0的点中最大数值，将所选点计算的距离减去这一数值，给出每一个点需要调节的幅度值；将找出的需要减去距离值对应的点作为基准点。
7)将芯片上49个选取点按照X、Y坐标大小进行编号，调节幅度值作为Z轴，画出各个点调节幅度值的柱状图，以便快速找到平行度偏差最大位置。根据步骤6的结果计算出最大值和最小值之间的差值，比较芯片和陶瓷边框是否满足平行度误差小于50μm。
进一步的，如果平行度误差大于50μm，将柱状图中相对0点(即基准点)的最远区域根据计算的幅度值进行调节，再重复步骤3—7直到满足要求。
本发明需要基于三维影像测量仪给出GPD芯片和陶瓷边框目标点相对于测试平台的三维坐标。首先从芯片模块上设定原点，然后在边框上定下一个起始点A1(X1,Y1)，通常靠近边框角落，其它点根据边框的每一边的长度进行均匀分配，比如边框长度为L，每一边选择N个点，沿水平正方向第n个点的坐标即为(X1+(n-1)×L/(N+1),Y1)，沿竖直负方向的第n个点坐标为(X1+(N-1)×L/(N+1),Y1-(n-1)×L/(N+1))，沿水平负方向第n个点的坐标为(X1+(N-n)×L/(N+1),Y1-(N-1)×L/(N+1))，沿水平正方向第n个点的坐标为(X1,Y1-(N-n)×L/(N+1))。芯片上的选点根据其灵敏区域进行平均分配，比如芯片长度为l，选择靠近其左上角区域的起始点的坐标为a1(x1,y1)，一共选择N×N个点，沿水平正方向第m个点，竖直负方向第n个点的坐标为(x1+(m-1)×l/(N+1),y1-(n-1)×l/(N+1))。将测量仪给出的每个点的三维坐标导入计算机，采用高斯拟合给出了不同数量目标选点下芯片和边框的平整度的标准偏差和对应的误差。陶瓷边框的选点数量从拟合的标准偏差差异和其对应的误差考虑，从图5(a)结果可知，当陶瓷边框的选点超过于32，其平整度分布得到的标准偏差相对数值差异约10％左右，且32个点对应的误差范围比16个点的精度提升了30％，大于32点误差精度提升小于5％；芯片上不同选点数量得到的平整度标准偏差远小于测量精度，所以选点数量考虑误差的影响，从图4(b)结果可知，当芯片上的选点数49个相比25点误差精度提升约75％，而超过49个点误差精度提升小于5％；加上到选点数量越多，仪器测试时间越长，由此确定了陶瓷边框的选点数为32个，芯片上表面的选点数为49个。同时从图4(b)可知，芯片的平整度标准偏差约1.5μm，远小于50μm指标要求，所以我们可以从这49个点中找到最大值最小值的差值作为平行度偏差的结果而无需扫描芯片所有位置。从选择陶瓷边框选点的拟合平面作为基准面，通过平面外一点到平面的距离公式，得到芯片上不同测试点到基准面的距离；如果芯片上目标点到基准面的距离同号，其中最小距离绝对值则为距离差值，如果芯片上目标点到基准面的距离值存在异号，只需比较距离为正值的点，找到距离最大值作为距离差值；再将芯片上每一个距离值减去距离差值，得到每一个点需要调整的振幅，根据振幅数值画出柱状图并判断芯片需要调整的区域和大小从而指导平行度校准。
为了保证GPD芯片和陶瓷边框每一次测量的可靠性和重复性以及给出校准区域的快速定位和调整幅度，按照上述选点方法，我们通过GPD边框和芯片不同选点数拟合得到的平整度标准偏差变化趋势和误差精度确定出样品选点数量。本发明也考虑到实际情况中距离值存在异号的情况，与距离同号的调平方法类似，只需找到对应点到基准面距离为正值中的最大值作为调整幅度的距离差值即可。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
1，避免了测试平台本身平整度的影响；
2，确定了小面积样品的选点数量，使得测量结果稳定可靠；
3，能够快速、准确的获取需要调整平面的目标点基于基准面的调整区域和幅度。
附图说明
图1为GPD芯片模块，中间白色区域为芯片，周围白色区域为陶瓷边框，两部分区域中间为代表信号引出线，未完全示出；
图2为传统的GPD芯片和倍增器GEM平行度校准流程图；
图3为基于计算机指导校准GPD芯片和倍增器GEM平行度校准流程图；
图4为陶瓷边框和芯片选点空间分布及边框拟合平面；其中十字点为陶瓷边框选择的32个点，小方框表示拟合平面，圆点为芯片表面选择的49个点；
图5为与表1中不同情况采用高斯函数拟合对应平面平整度的标准偏差；
(a)为陶瓷边框结果，(b)为芯片结果；
图6为校准前陶瓷边框和芯片平行度结果；
(a)是第一次粘接芯片后芯片和陶瓷边框选点分布对应的拟合平面，(b)是芯片上不同选点对应需要调整的幅度分布；
图7为校准后陶瓷边框和芯片平行度结果；
(a)为粘接芯片满足要求后芯片和陶瓷边框选点分布和对应的拟合平面，(b)为芯片上不同选点对应需要调整的幅度分布。
具体实施方式
在下述具体实施示例中，将结合附图对本发明进行进一步的详细说明。通过足够详细的描述实施示例，使得本领域技术人员能够实践本发明。在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以对实施做出逻辑的、实现的和其它的改变。因此，以下详细说明不应该被理解为限制意义，本发明的范围仅仅由权利要求来限定。
如图3所示为基于计算机指导校准GPD芯片和倍增器GEM平行度流程图
1，将GPD芯片模块固定在一个非接触式三维影像测量仪平台上，该仪器的测量精度约2μm，把GPD芯片上方均匀涂抹上银浆，示例中是直接将一块芯片直接粘接在已有的GPD芯片上，验证该发明校准面对面平行度效果。
2，首先选择原点，然后利用测量仪在陶瓷边框和芯片上进行选点，如图4，选点的间隔相等。陶瓷边框每边选择8个点，总共32个测试点，起始点选取位置X、Y坐标为(-006.58469,+006.03408)，边框长约36mm，所以X轴和Y轴变化的步长为4mm，以此类推遍历整个边框。芯片的起始点X、Y坐标为(+002.16286,-001.88097)，灵敏面积约为16×16mm2，所以可得X轴和Y轴变化的步长为2.5mm。陶瓷边框和芯片选点的数量可以分别从图5(a)、(b)两个标准偏差分布结果得到验证，横坐标对应表1中不同选点数量，最后两组的选点以及位置都相同，用以验证仪器的重复精度影响。采用高斯函数拟合不同情况的结果可知，当陶瓷边框的选点超过16个，芯片选点超过25个，其分布的标准偏差的数值差异较小。但考虑到不同选点情况下标准偏差的误差，所以决定陶瓷边框的选点为32个，芯片选点49个，对应的误差分别小于±1μm和±0.2μm，主要为统计误差贡献。
表1为陶瓷边框和芯片不同情况下对应的选点数量
1
2
3
4
5
6
芯片
25
49
81
121
121
121
陶瓷边框
8
16
32
48
64
64
3，测量仪给出每一个点的三维坐标后将数据导入计算机，通过分析即可给出陶瓷边框的拟合平面，如图6(a)所示，为了清楚的表示两个平面的平行度，我们将芯片拟合平面也表示在其中，可以明显看出两平面相交。
4，通过平面外一点到已知平面的距离公式，计算芯片上每一个选点到基准面的距离，这里规定芯片选点在基准面下方计算的距离为正值，该示例的距离数值中存在异号，所以我们在距离值大于0的点中选择其最大值作为距离调整差值，将芯片上其它选点的距离值减去该值即可得到图6(b)显示的不同区域需要校准的振幅，可以看到左上角无示数，表示该点作为距离调整的参考点，芯片平面从左上角到右下角倾斜并且右下角区域偏差最大，从显示的数值可知平行度误差为168μm，不满足封装要求，表明该区域点需要向负方向调整168μm。
5，保持边框固定不动，这里我们利用一个千分尺进行芯片调平，将千分尺的刻度值归零，灵敏端与芯片需要调整区域的表面接触，通过调整千分尺显示的数值缓慢挤压芯片，当示数在168μm时，完成一次平行度校准操作，整个操作时间约10秒钟。
6，实际调平中千分尺灵敏端和芯片接触的控制会引起一定校准误差，需要多次调平操作。重复步骤2—5完成调平后的平行度测量和数据处理，直到芯片和陶瓷边框的平行度满足小于50μm封装要求。
本发明的系统包括一台三维影像测量仪、计算机和一个千分尺，测量仪给出样品不同平面上选点的三维坐标，计算机处理平行度结果并给出调整面的调整区域和幅度值，千分尺完成平行度的快速校准。
实验结果
经过多次调平后我们得到了图7(a)结果，两部分拟合平面基本平行，采用步骤4的处理方式得到图7(b)不同区域需要校准的幅度分布，这里颜色的标度和图6相同，可以看到校准幅度大小基本在一个色阈范围内，从数值可知，该封装的平行度误差在15μm，远好于封装要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，平行度误差满足需求即可，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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