厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽的影響及控制

謝康+洪明+李丙旺

摘 要：在電子器件的生產(chǎn)過(guò)程中，水汽對(duì)于器件的可靠性影響一直是相關(guān)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)非常關(guān)注的問(wèn)題，本文就電子器件封裝腔內(nèi)水汽的主要來(lái)源進(jìn)行了分析，并對(duì)加強(qiáng)厚膜HIC金屬封裝腔的相關(guān)工藝提出了相應(yīng)的控制方法。

關(guān)鍵詞：厚膜混合集成電路；腔內(nèi)水汽含量；控制

0 引言

根據(jù)國(guó)家對(duì)電子元器件的生產(chǎn)提出的相關(guān)規(guī)定，HIC金屬封裝腔內(nèi)的水氣含量達(dá)到100℃時(shí)不高于5000ppm的水平，才能滿足相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)國(guó)軍標(biāo)產(chǎn)品的要求。因此，在日常生產(chǎn)中，從加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量、提升企業(yè)生產(chǎn)水平的角度出發(fā)，應(yīng)充分了解厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽器件可靠性的影響，并對(duì)電子器件封裝腔內(nèi)水汽的主要來(lái)源進(jìn)行研究，以此加強(qiáng)對(duì)相關(guān)工藝和操作方法的控制，使器件生產(chǎn)達(dá)到更好的金屬封腔水汽含量控制水平。

1 厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽含量偏高常見(jiàn)的問(wèn)題分析

對(duì)于航天使用的器件而言，厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽含量偏高會(huì)直接導(dǎo)致器件的可靠性降低、使用壽命縮短。由于厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽含量的控制不當(dāng)，常會(huì)帶來(lái)以下的問(wèn)題。

（1）芯片電性能劣化

水分子因帶有正、負(fù)離子而表現(xiàn)出導(dǎo)電性，當(dāng)厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)的水汽含量過(guò)高，則會(huì)使器件芯片吸附水分子在其表面形成具有導(dǎo)電性能的水膜，在電壓的作用下，離子的導(dǎo)電性會(huì)增加通過(guò)芯片的電流，使芯片的電性能發(fā)生改變，劣化其電性能。

（2）腐蝕鍵合點(diǎn)和焊盤(pán)，使電路開(kāi)路失效

厚膜HIC金屬封裝腔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，存在比較豐富的鍵合金絲、鍵合點(diǎn)，以及焊盤(pán)等，這些小部件比較脆弱，極易受到潮濕環(huán)境的腐蝕。當(dāng)厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)的水汽得不到控制形成其內(nèi)部的潮濕環(huán)境時(shí)，就會(huì)對(duì)鍵合點(diǎn)、焊盤(pán)、鍵合金絲產(chǎn)生影響，進(jìn)而增加這些部件相互之間的互邊電阻。腐蝕情況較輕時(shí)，會(huì)讓其中的電參數(shù)性能發(fā)生微小的變化。

（3）金屬遷移

所謂的金屬遷移就是在厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)的鍵合焊盤(pán)處由一個(gè)金屬離子從陽(yáng)極區(qū)遷移至陰極區(qū)的電解過(guò)程，出現(xiàn)金屬枝晶生長(zhǎng)現(xiàn)象。當(dāng)厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)的水汽含量上升到15000～150000ppm時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致金屬離子的遷移，從面使橋連區(qū)出現(xiàn)更多的泄露電流，一旦形成橋連，就會(huì)發(fā)生短路問(wèn)題。

2 厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽的來(lái)源分析

為了達(dá)到控制內(nèi)部水汽含量≤5000ppm這個(gè)工藝要求，必須了解HIC金屬封裝內(nèi)部水汽含量的來(lái)源和形成，這是分析和解決內(nèi)部水汽含量問(wèn)題的關(guān)鍵因素。我們通過(guò)對(duì)封焊水汽含量合格與不合格電路的比較和分析，發(fā)現(xiàn)電路氣密性不好、平行封焊前充氮?dú)鈺r(shí)間較短（一般為幾小時(shí)）以及對(duì)電路烘焙的溫度和時(shí)間不合適是造成其水汽含量超標(biāo)的主要原因。

通過(guò)近幾年來(lái)的工藝研究工作，我們找到了影響HIC金屬封裝內(nèi)部水汽含量的主要原因，其主要影響因素如下：

（1）進(jìn)行厚膜HIC金屬封裝時(shí)，其周?chē)墓に嚉夥罩兴乃?/p>

（2）封裝腔內(nèi)的各種材料如金屬蓋板、芯片表面、基片、內(nèi)部引線等本身吸附或溶解的水分，由于封裝于厚膜HIC金屬封裝腔的過(guò)程中，在高溫密封的環(huán)境內(nèi)將吸附的水分析出形成水汽；

（3）由于厚膜HIC金屬封裝腔的密封性出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致漏氣現(xiàn)象的出現(xiàn)，水汽隨著漏孔滲入金屬封裝腔內(nèi)。

3 控制厚膜HIC金屬封裝腔內(nèi)水汽含量的相關(guān)工藝措施

在HIC金屬封裝工藝中的封裝材料及前面的工序可能引起的封裝后水汽含量的變化已有研究，在這就不一一闡述。主要闡述封裝前、封裝過(guò)程中、封裝后的相關(guān)措施。

（1）提高平行縫焊機(jī)封裝腔和烘烤箱的潔凈度

厚膜HIC金屬封裝腔的氣密性受封裝環(huán)境的影響較大，如果封裝環(huán)境得不到保障，那么很難實(shí)現(xiàn)HIC金屬封裝腔水汽含量的有效控制。目前，進(jìn)行HIC金屬封裝腔的具體操作的相關(guān)器械為SSEC 2300平行縫焊機(jī)，其封裝腔和干燥箱均采用的是精密的不銹鋼結(jié)構(gòu)，但如果潔凈度不夠，就會(huì)造成對(duì)HIC金屬封裝腔水汽控制的失效。因此，在使用相關(guān)器械時(shí)，應(yīng)用Y09-9型激光料子計(jì)數(shù)器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，保證操箱和干燥箱的潔凈度達(dá)到1000級(jí)，這樣才能滿足工藝的要求，保證生產(chǎn)質(zhì)量。

（2）保障半成品的貯存環(huán)境滿足生產(chǎn)要求

器件進(jìn)行厚膜HIC金屬封裝腔的封裝前，相關(guān)的半成品會(huì)進(jìn)行一段時(shí)間的貯存，而在這個(gè)貯存過(guò)程中，由于貯存環(huán)境不合格，會(huì)造成待用的半成品器件吸附水分，從而導(dǎo)致在封裝時(shí)帶入過(guò)多的水汽。這就需要將已檢測(cè)合格和已清洗烘干的半成品置于含有99.99%的N2且潔凈度滿足1000級(jí)的貯存環(huán)境中，才能有效控制水汽隨半成品進(jìn)入HIC金屬封裝腔內(nèi)。

（3）對(duì)封裝腔進(jìn)行內(nèi)部環(huán)境的干燥

在進(jìn)行厚膜HIC金屬封裝腔的封裝操作時(shí)，由于生產(chǎn)并不是在連續(xù)的操作情況下完成的，因此不能保證封裝腔在封裝前一直處于N2的環(huán)境中，因此需要在封裝前對(duì)封裝腔進(jìn)行排氣處理，將封裝腔內(nèi)的空氣排空。這一過(guò)程一般通過(guò)在99.99%N2的條件下加熱4h以上，使操作箱內(nèi)的濕度小于200ppm，氣壓大于1.2個(gè)大氣壓時(shí)再進(jìn)行封裝操作完成。

（4）封裝前對(duì)半成品進(jìn)行充分烘烤

為保證封裝前半成品吸附水分的問(wèn)題得到徹底解決，即使是妥善保存于N2環(huán)境中的半成品在進(jìn)行封裝前依然需要在SSEC M2300平行縫焊機(jī)的烘箱內(nèi)進(jìn)行充分烘烤，使芯片等部件的吸附的水汽完成被排除。一般情況下，將部件置于真空度為小于9×10-3托，溫度在145℃且溫度浮度在5℃以內(nèi)的環(huán)境中烘烤3h以上即可。

（5）提升氣密性要求

厚膜HIC金屬封裝腔的氣密性直接決定了相關(guān)器件的質(zhì)量，對(duì)于封裝后的器件應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行GJB548A方法1014A中關(guān)于He的氣密性要求，從而有效控制封裝腔的漏氣而導(dǎo)致的水汽含量增加的問(wèn)題出現(xiàn)。

4 試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)以上工藝控制后，我們進(jìn)行了HIC金屬封裝工藝驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，其檢測(cè)結(jié)果：封裝的產(chǎn)品，一次性封裝檢漏合格，內(nèi)部N2含量較高，內(nèi)部水汽含量檢測(cè)≤1000ppm。另外，1只樣品漏氣，即便采取補(bǔ)封措施檢漏合格，其內(nèi)部水汽含量仍然嚴(yán)重超標(biāo)。所以，我們即使使用性能好，操作箱密封好的進(jìn)口設(shè)備，也要求提高封裝工藝水平，加強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，盡量一次性封裝檢漏合格，才能達(dá)到內(nèi)部水汽含量檢測(cè)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于氣密性要求較高的器件來(lái)說(shuō)，厚膜HIC金屬封裝的質(zhì)量控制關(guān)系著電子產(chǎn)品的整體質(zhì)量，決定了器件的壽命。從工藝上提高對(duì)其封裝腔內(nèi)水汽的有效控制，是提高電子產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。相關(guān)問(wèn)題的解決對(duì)于提高電子產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性具有非常重要的意義。