石英晶體元件內(nèi)部水汽含量的控制

呂培青，史文香（陜西華星電子集團有限公司 陜西 咸陽 712099）

石英晶體元件是一種被廣泛使用的電子元件，早期應用在軍事通訊領域，隨著石英晶體元件加工技術的發(fā)展以及產(chǎn)能的增加，逐步應用到民用產(chǎn)品，許多電子產(chǎn)品都離不開石英晶體元件，正是因為晶體具有很高的品質(zhì)因數(shù)（高Q值），使許多消費類電子產(chǎn)品同樣具有良好品質(zhì)，沒有晶體就沒有琳瑯滿目的電子產(chǎn)品。

隨著科學技術的快速發(fā)展，整機對石英晶體元器的性能指標要求越來越高，特別是航空、航海、野外探測、兩極探險及動力車組的運行等，石英晶體元器的使用環(huán)境越來越嚴酷，對其自身的穩(wěn)定性提出了更高的要求，為了適應科學的發(fā)展，滿足整機對元器件需求的日益增長，我們通過對石英晶體元件加工工藝的改進，在加工過程中增加特殊控制，降低其內(nèi)部水汽含量，達到MIL-883E、GJB548A-96、GJB33A-97標準水汽含量規(guī)定范圍的要求，具體為：100℃±5 ℃，烘24小時以上，小于5 000 ppmV[1]?？梢哉J為：水汽含量界線與貯存使用中密封元器件的失效和可靠性有著直接關系[6]。

1 內(nèi)部水汽的來源

1)由于石英晶體元件密封氣密性差，水汽在長期貯存、環(huán)境試驗及在相對濕度

大的環(huán)境中使用等時滲入元器件內(nèi)部而引起；

2)密封時周邊氣氛中的水汽被密封入內(nèi)腔中引起的，因密封氣氛沒有有效控制或密封臺與周圍環(huán)境密封不良而被周圍環(huán)境的濕氣所擴散滲透；

3)內(nèi)部吸附(束縛)的水汽在高溫100 ℃±5 ℃，烘焙24小時過程中釋放出來的[2]，如玻璃絕緣子、內(nèi)腔壁、晶片粘結材料等。

2 內(nèi)部水汽對石英晶體元件造成的危害

石英晶體元件封裝形式基本上是采用密封封裝，密封封裝的產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量過高，由于采用密封封裝這些水汽又不能隨著時間而減少，這些存在于石英晶體元件內(nèi)部的水汽逐漸導致電連接系統(tǒng)發(fā)生各種物理、化學反應，特別是在嚴酷的試驗環(huán)境下，如高空、低壓、低溫等環(huán)境中水汽就會凝結成細小的水珠附著在石英晶體元件晶片的表面上，給石英晶體元件的電性能造成很大的影響，從而致使整機器件電性能參數(shù)不穩(wěn)定，嚴重的甚至使整機不工作。為了保證密封的石英晶體元件在高空、低溫環(huán)境下的可靠性，不僅需要檢測產(chǎn)品封裝的氣密性，而且需對產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量進行有效的控制。

3 內(nèi)部水汽含量的控制

3.1 石英晶體元件的組成

HC-49外形石英晶體元件的組成見圖1。

圖1 石英晶體元件結構圖Fig.1 Structure diagram of Quartz crystal components

3.2 石英晶體元件的加工過程中產(chǎn)品水汽過程的分析

對于各種尺寸的封裝可以進行類似的計算，針對一定的表面積相對于體積的比例r，我們可以計算出其相應的ppm值。對于水汽控制，空腔較大的器件也有一定的優(yōu)勢，因為在相同的漏率情況下，較大空腔的器件需要更多的時間使內(nèi)部達到一定的水汽含量[3]。

要控制石英晶體元件內(nèi)部水汽含量先從石英晶體元件成品加工藝開始分析，常用石英晶體元件成品加工工藝主要流程見圖2。

從石英晶體元件制作工藝流程圖中可以看出，在認為密封很好的情況下，在封焊工序之后工序的加工，不會影響到石英晶體諧振器的內(nèi)部水汽的含量，而封焊前的各工序在加工過程中要經(jīng)過很多次的高溫烘烤，殘留在晶片表面、銀層中及銀膠中的水汽已經(jīng)剩余很少，經(jīng)我們分析影響內(nèi)部水汽含量的主要工序就是碰焊時石英晶體元件組成部分的水汽含量、碰焊過程中填充氣體的水汽含量及操作環(huán)境空氣中的水汽含量。所以要解決的難點就是如何去除焊時石英晶體元件組成部分的水汽含量、碰焊過程中石英晶體諧振器內(nèi)部填充氣體的水汽含量以及碰焊操作環(huán)境空氣中的水汽含量。

3.3 吸附(束縛)性水汽的去除

1)盡可能地使用低含水量和不易吸濕的材料，在我們使用的材料中容易吸濕的材料只有用于防止接地的絕緣襯套，所以我們采用不易吸濕的材料來替換易吸濕的絕緣襯套材料；

2)不使用殼體材料致密度差的外殼，選用質(zhì)地優(yōu)良的一類外殼，并在使用前進行密封性試驗及外觀篩選，確保封焊后元件的密封性；

3)封裝材料在貯存、封焊過程中水汽很容易被吸入，為了防止封裝材料在貯存、封焊過程中水汽被吸入，我們在封裝材料貯存、封焊中增加除濕機進行除濕的過程，改善貯存環(huán)境，避免材料在貯存過程中水汽被吸附；

4)粘結材料要充分固化，我們通常使用的粘結材料是環(huán)氧樹脂銀膠，為了防止在銀膠不能充分的固化，延長烘烤時間，使銀膠內(nèi)部的水汽充分的釋放；

5)加熱烘烤，真空—充氮烘箱中將毛細孔隙中的水汽的排出。

3.4 密封時環(huán)境氣氛中的水汽控制

1)在密封前充分的除濕來除掉材料及粘結材料中的水分[4]，除掉這一部分的水分的最好的辦法是在300 ℃以上的高溫下進行，但這個溫度對石英晶體元件有破壞性的影響，所以這個辦法不適用石英晶體元件的加工，對于石英晶體元件可以考慮采用除濕機來除去這一部分的水分，這樣可以很好的排除水汽，而且除濕機內(nèi)氣氛中的水汽含量很低，對內(nèi)部水汽含量要求不是特別高的產(chǎn)品，也可以在充氮氣的爐中進行；

2)密封時采用邊抽真空邊通入高純N2的方法來縮短密封時水汽的浸入。封焊設備帶除濕氣系統(tǒng)并用溫濕度儀監(jiān)測，密封臺內(nèi)保持正壓，阻止外部高濕度的氣體滲入。氮氣是含水量低的管道(或瓶裝)高純N2，一般在5 ppmV以下，露點在-69 ℃以下。抽真空充N2的時候，注意防止機械泵的廢氣倒灌而造成內(nèi)部氣氛被污染（除非是干泵）。抽真空充N2次數(shù)與內(nèi)腔N2含量的變化如圖3。

圖3 氮氣含量變化Fig.3 Nitrogen content change

4 測試結果對比

通過各方面的控制基本上滿足了內(nèi)部水汽含量標準要求的≤5 000 ppmv ，常規(guī)工藝加工的產(chǎn)品加工的產(chǎn)品和采用特殊控制工藝加工的產(chǎn)品測試結果對比見表l。

試驗條件：

方法：按GJB3128A-97方法1018程序l；

100 ℃±5 ℃預烘焙24 h；

環(huán)境溫度：23 ℃；

環(huán)境濕度：24%RH；

表1 產(chǎn)品測試結果對比Tab.1 Product test results contrast

5 結 論

測量密封元件內(nèi)部水汽含量是證明其可靠性和工藝合理性的重要步驟之一[5]，通過表l中采用兩種工藝加工的產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量測試結果對比可以看出，采用特殊控制工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量合格（該項檢驗的合格判據(jù)是小于5 000 ppm[6]），達到了控制石英晶體元件內(nèi)部水汽含量的目的，使其內(nèi)部水汽含量符合標準的要求，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提升了產(chǎn)品的性能，充分說明了我們采取的這種工藝是合理的?？蓮V泛的應用于航空、航海、登山、兩極探險及各類嚴酷的環(huán)境中使用。

[1] GJB 548A-96.微電子器件試驗方法和程序[S].1996.

[2] GJB 33A-97.半導體分立器件總規(guī)范[S].1997.

[3] 楊晨,張素娟.密封封裝內(nèi)部水汽含量判據(jù)研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2002(5):18-22.YANG Chen,ZHANG Su-juan. Encapsulation criterion of water vapor content in the research[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2002(5):18-22.

[4] 王庚林,王莉研,董立軍.電子元器件內(nèi)部水汽含量與密封性關系的研究[J].電子元器件應用,2009(2):78-81.WANG Geng-lin,WANG Li-yan,DONG Li-jun.Electronic components and sealing steam content in the research[J].Electronic Component at Device Applications,2009(2):78-81.

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