小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具優化研究

譚驍洪，邱 盛，羅 俊，黃姣英，邢宗鋒，李曉紅，鄧永芳

（1.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060； 2.北京航空航天大學，北京 100089）

小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具優化研究

譚驍洪1，邱 盛1，羅 俊1，黃姣英2，邢宗鋒1，李曉紅1，鄧永芳1

（1.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060； 2.北京航空航天大學，北京 100089）

簡要介紹了小腔體器件內部氣氛檢測結果的主要影響因素，研究分析了當前小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具存在的缺陷，明確提出了小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具的優化思路和設計模型，提高了試驗結果的準確性和穩定性。

小腔體器件；內部氣氛檢測；夾具優化

引言

長期以來，電子元器件內部氣氛分析技術一直是電子行業、航空航天和國家重點工程急需解決和控制的技術之一[1]。其中過量的內部水汽含量會引起包括腐蝕、離子粘污、電遷移、金屬遷移、機械損傷、介質分層等失效模式[2]，而氫氣則會引起硅、稼、砷等化合物器件的材料變形和氧化反應等器件失效[3]。

隨著對裝備小型化 的要求，研制小腔體電子元器件的企業越來越多，僅僅生產軍用小腔體元器件的企業就有中國電子科技集團公司第二十四研究所、第二十六研究所，航天科技集團公司第七七一所等等。

但是國內對于內腔體積＜0.03 cc的小腔體器件的內部氣氛檢測技術研究較為滯后，幾乎不能保證小腔體器件內部氣氛檢測結果的準確性和穩定性，對該類器件內部氣氛的控制就很難進行，該類器件的可靠性勢必存在隱患。

影響小腔體器件內部氣氛檢測結果的因素很多，而其中最為明顯也最為重要的影響因素無疑是試驗夾具。本文針對業內應用較多的幾類小腔體器件，包括陶瓷四面引線扁平封裝ST31（0.003 cc）、陶瓷無引線片式載體外殼CQFN1 6（0.005 cc）、陶瓷雙面引線扁平外殼FP08（0.008 cc）、表貼晶振ZPB-26（0.03 cc）等器件的內部氣氛檢測試驗夾具進行研究，分析其存在的缺陷，針對缺陷提出解決方法，進行優化設計，提高小腔體器件內部氣氛檢測結果的準確性。

1 內部氣氛檢測試驗夾具

1．1 小腔體器件內部氣氛檢測密封不良

在內部氣氛檢測中，需要將檢測樣品固定在檢測臺上，并提供一個平面（待穿刺面）堵住穿刺口以達到密封效果，然后抽真空才能進行檢測[6]。如圖1及圖2所示。

而微小腔體器件因為尺寸太小，無法完全堵住穿刺口的密封圈進行密封，導致檢測系統密封不良甚至無法密封，進一步導致無法抽真空進行內部氣氛檢測。如圖3所示。

故小腔體器件內部氣氛檢測需要使用夾具才能進行良好的密封，以保證檢測結果的準確性。

1．2 小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具缺陷研究

當前業內使用的小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具幾乎均采用“放大”器件外殼的套入式夾具。即設計一個內部放置小體積器件的空腔，并在底部留有穿刺針的上下通道。如圖4所示。

圖1 內部氣氛檢測照片（樣品安裝部分）

圖2 內部氣氛檢測樣品安裝示意圖

圖3 ST31樣品與密封圈對比圖

圖4 小腔體器件內部氣氛檢測夾具示意圖

將夾具放置到內部氣氛分析儀樣品安裝臺上對準穿刺口后，在夾具上部用頂蓋進行密封。如圖5所示。

該夾具的使用解決了小腔體器件尺寸太小無法完全堵住密封圈進行密封的問題。但是，此類夾具在使用中存在極大地缺陷。

由于夾具需要一個放置器件的空腔，器件外殼與夾具均為金屬或陶瓷類硬質材料，器件本身很難與夾具內腔壁完全貼合，從而存在器件外的空腔（副腔），副腔中也會存在一定氣體，這些氣體對器件本身的內腔氣氛必然會產生干擾，

圖5 小腔體器件內部氣氛檢測夾具安裝圖

圖6 “副腔”擴散模型

此外，由于副腔的存在，在穿刺針扎破器件時，器件內部氣體不僅僅會進入進氣室，也會擴散到夾具的副腔中，對于體積較小的器件，這樣的副腔已經近似于甚至超過了器件本身內部空腔體積，這必然會對器件內部氣氛檢測結果造成影響。如圖6所示。

入口壓力值反映了采集氣體量以及氣體進入進氣室、真空傳輸通道的壓力濃度。標準體積0.03 cc、內部氣壓1 atm的5 000 ppm水汽校準器在進行校準時入口壓力值在2.5左右的水平，對比分析另一同體積檔器件——ZPB-26金屬封裝表貼型晶振，標準大氣壓1atm封裝，在使用輔助密封夾具進行試驗時，其入口壓力值在1.0 torr左右水平。

從數據結果來看這一入口壓力值是偏低的，從輔助夾具方面分析，我們可以認為，“副腔”導致了器件被刺穿時一定量氣體的擴散，同時延遲了氣體采集速率。

2 夾具的優化

基于以上原因，本文對小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具的優化思路是：盡可能減小夾具的副腔，器件與夾具盡量貼合。

2．1 無引線類夾具的優化

通過綜合考慮夾具的設計需求以及實際問題，對于陶瓷無引線片式載體和表貼晶振封裝，從“副腔”的形成入手優化小腔體器件輔助夾具，避免器件在被扎破后器件內部空腔氣體向其它方向擴散，使其最“效率”地進入進氣室。具體方法是通過將其氣體采集時的“外擴”改為“內擴”：將器件密封范圍減小，限制在刺針扎破器件采集氣體的局部，使氣體直接進入進氣室。

優化后夾具如圖7所示。

優化后夾具安裝方法如圖8所示。

為保證夾具底部覆壓強度，夾具材料選用金屬材料304不銹鋼，器件容納腔內密封襯底材料為與“O”型密封圈相同材料的硅橡膠（VMQ）。

圖7 優化后的無引線類夾具剖面圖

2．2 有引線類夾具的優化

由于部分有引線封裝器件尺寸非常小，甚至小于穿刺針直徑，故無法應用上面優化后的夾具。針對針對陶瓷四面引線扁平封裝和陶瓷雙面引線扁平封裝存在外引線的特點，對穿刺通道的直徑進行擴大，將器件本體直接置于穿刺通道內，留引腳于夾具內用于固定，使器件本體不再占用夾具內腔容積，避免了副腔的產生，最大程度上減小夾具副腔對檢測結果的干擾。

優化后夾具如圖9所示。

為進一步減小引線引起的夾具縫隙，夾具材料選用較軟的金屬材料硬鋁，器件容納腔與覆壓蓋板之間采用原廠的“O”型密封圈進行密封。

圖8 優化后的無引線類夾具使用模型

3 試驗驗證

圖9 有引線類夾具設計圖

在夾具優化完成后，設計試驗對夾具優化后的檢測結果進行對比驗證。由于兩類夾具均以減少夾具副腔為思路進行優化，而腔體越大內部氣氛檢測結果相對越準確，故試驗使用兩種夾具對表貼晶振器件ZPB-26（0.03 cc）進行內部水汽含量測試并對比水汽測試結果。

圖10 優化后的無引線類夾具使用模型

試驗控制了其它因素，盡可能減少了除輔助夾具差異以外的影響。為減少工作量縮短時間周期，對比試驗中用于對比的原始夾具ZPB-26試驗數據采用了歷史數據（48批次），并剔除了其中器件質量問題或操作失誤而造成的明顯異常數據。試驗中以3只器件為一組，使用優化后的夾具進行的9組試驗。

圖11、圖12對使用兩種夾具進行的ZPB-26水汽含量測試數據進行了處理統計，對入口壓力值和水汽含量值這兩個標準繪制了離散曲線圖。

對試驗數據的對比分析研究，得到了以下結果：

1）入口壓力值（上曲線）差異

使用原始夾具對ZPB-26進行內部水汽含量測試，入口壓力值平均為1.23 torr，優化后夾具進行測試，入口壓力值平均為2.49 torr。

根據0.03 cc標準校準器校準數據入口壓力分析，校準時入口壓力值為2.2 torr左右。由此可見，使用優化后的夾具進行水汽測試，結果更接近實際。

2）水汽值（下曲線）水平

使用原始夾具和優化后夾具對ZPB-26進行內部水汽含量測試，所得到的水汽含量值分別為795 ppm和1598 ppm，差別比較大。

ZPB-26屬于金屬氮氣封裝，相較于陶瓷封裝器件，其內部水汽含量一般比較高。另外ZPB-26水汽含量水平基本是在1 000 ppm以上的，因此1 598 ppm是更接近與實際值的。

3）水汽值離散性

首先是水汽值分布區間，使用原有夾具測試得到的水汽值分布為[100, 2342]（低于100按100處理），優化輔助夾具后測試值在[947, 2548]；其次是標準方差，優化輔助夾具前后分別為465和416；反映其離散性的變異系數前后分別為58.49 % 和 26.03 %。

圖11 ZPB-26優化前輔助夾具試驗數據

圖12 ZPB-26優化前輔助夾具試驗數據

在測試結果離散性方面，優化后的輔助夾具所進行的ZPB- 26水汽含量試驗水汽結果一致性要更好。

4 結論

小腔體器件內部氣氛檢測試驗夾具的優化，最大程度上減少了使用夾具造成的額外體積，優化后夾具使小腔體器件氣體采集過程更加準確。在內部氣氛檢測過程中，使用優化后的輔助夾具進行試驗，得到的入口壓力值和最終得到的水汽含量值更接近于真實水平，提高了內部氣氛檢測結果的準確性。另外，輔助夾具的優化對小腔體器件水汽測試結果穩定性也有所改善。

然而，小腔體器件內部氣氛檢測結果的波動是多方面因素造成，并非只受試驗夾具影響，因研究側重不同以及此次試驗內容有限，有待之后進行更多試驗和研究。

[1] 吳文章.密封元器件的殘余氣氛分析[J].電子產品可靠性與環境試驗, 2004,22(2):34-36.

[2]陳鵬,歐昌銀.微電路封裝產品內部水汽含量的分析與控制方法[J].電子與封裝, 2004,4( 3):20-23.

[3] 吳文章.密封元器件中氫氣的產生與控制[J].電子與封裝,2009, 9(8): 34-37.

[4] GJ B548B-2005,微電子器件試驗方法和程序[S].

[5] MIL-883J-2013,Test method standard microcircuits[S].

[6] Oneida Research Services, Inc. Why Be Concerned About Moisture In Hermetic Packages [EB/OL]. http://www.orsfr.com/get_file. php?file_name=ORS-Why_Be_Concerned_About_Moisture. pdf.

[7] 許桂芳.元器件的封裝氣氛及內部材料物質對其內部水汽含量的影響[J].試驗技術與試驗機, 2004,4(3,4):42-44.

Fixture Optimization Research on Internal Atmosphere Test of Cavity Device

TAN Xiao-hong1，QIU Sheng1，LUO Jun1，HUANG Jiao-ying1，XING Zong-feng1，LI Xiao-hong1，DENG Yong-fang1
(1.Sichuan Institute of Solid-State Circuits, China Electronics Technology Group Corp , Chongqing 400060;2.Beihang University, Beijing 100089)

This paper briefly introduces the main influencing factors of cavity device internal atmosphere detection results, analyses the defects of cavity device internal atmosphere tests fixture, clearly puts forward the optimization idea and design model of fixture optimization of cavity device internal atmosphere test, and improve the accuracy and stability of test results.

cavity device；internal atmosphere test；fixture optimization

TN306

A

1004-7204(2017)04-0143-04

譚驍洪，男，工程師，主要從事電子元器件可靠性及內部氣氛檢測研究工作。