0.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛含量測試方法研究

周帥　鄭大勇　陳海鑫　陳偉

摘要：根據氣密封器件內部氣氛含量的測試原理，從0.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛含量測試的取樣、校準及夾具等方面分析造成0.01cc（1cc=1cm³）小腔體氣密封器件內部氣氛含量測試結果誤差的主要因素，其中夾具的結構設計是造成誤差的最大影響因素。隨后從縮小測試夾具腔體的密封范圍、減少穿刺后的內部氣氛向外擴散、提高0.01cc小腔體內部氣氛進入設備分析室的濃度等方面對夾具優化設計。最后采取同批次型號的0.01cc小腔體器件進行新舊夾具分組比對分析，從測試數據的離散性、設備的端口氣氛濃度數據分析可見，經過優化的夾具能夠有效提高0.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛含量測試的準確性。這一改進途徑也可為提高其他氣密封器件內部氣氛含量檢測的可行性及準確性提供思路。

關鍵詞：內部氣氛含量；小腔體器件；誤差分析；氣密性封裝；夾具設計

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0020-06

0引言

氣密封器件的封裝內部氣氛如水汽、氧氣、氫氣及二氧化碳過高，會對器件內部產生腐蝕、參數漂移、電遷移等危害，在外部因素的作用下，這些危害或潛在缺陷還會惡化，導致器件功能喪失，因此內部氣氛含量是評價氣密封器件封裝可靠性的重要指標之一。從1998年至今，只有美國ORS實驗室掌握了動態穿刺取樣等關鍵技術，因此國內外目前普遍采用該實驗室制造的IVA-210s內部氣氛分析儀對氣密封器件封裝進行內部氣氛含量測試，導致國內外對于內部氣氛含量測試研究主要集中在器件內部各種氣氛含量的控制、封裝工藝參數對內部氣氛的影響以及氣氛超標的來源分析等方面，而對于內部氣氛含量如何測試的方法研究相對較少。

一般情況下，0.03～0.1cc腔體的氣密封器件測試內部氣氛時均需要采用輔助夾具，保證在高真空度密封狀態下與設備連接后完成測試。但輔助夾具的設計及使用在行業內一直缺乏規范化的標準，導致各單位的測試結果差異性較大。近年來，隨著氣密封器件的集成度越來越高，輔助夾具對于0.01cc的小腔體氣密封器件的測試更是無法滿足要求，同時0.01cc腔體也達到了設備的檢測極限值。在對小腔體氣密封器件進行內部氣氛測試時，往往會因為測試操作不規范、輔助夾具設計不夠合理等原因，造成測試結果存在較大誤差或無法測試等問題。因此分析造成誤差的原因，對測試結果影響最大的夾具優化改進，對提高測試的準確性，指導同類型內部氣氛測試具有重要有意義。

10.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛含量測試誤差分析

氣密封器件的內部氣氛含量測試屬于破壞性試驗，主要通過內部氣氛含量測試儀（IVA-210s）進行。該儀器由穿刺進樣系統、離子源、四極質譜、二次電子倍增器、真空系統和數據處理軟件構成（如圖1所示），直接對氣密封器件內部各種氣氛進行定量分析。測試的關鍵及設備的核心技術在于需要有效地在高真空狀態下穿刺被測樣品殼體動態以收集內部氣氛含量。然而在使用內部氣氛儀測試小腔體氣密封器件時，容易受測試樣品外形尺寸特殊性、測試人員操作規范性、夾具誤差等多種因素影響，導致出現測試誤差。

1.1小腔體氣密封器件內部氣氛測試過程誤差分析

氣密封器件內部氣氛含量測試過程中，取樣是保證內部氣氛測試準確性的關鍵。取樣的關鍵在于穿刺面的選取、穿刺后氣氛的收集（端口壓強值）和樣品的有效固定。對于有平整外殼的氣密封器件，將樣品某個平整外殼表面通過O型密封圈連接到內部氣氛分析儀上，再將O型密封圈內部樣品表面附近連同整個取樣通道均抽真空（真空度達10^-8Pa），然后用穿刺鋼針在該表面扎一個小孔進行取樣測試（如圖2所示）。

對于0.01cc小腔體氣密封器件，由于被測樣品封裝較小或是沒有可以利用的穿刺平面（多為表面易碎的玻璃或陶瓷封蓋），需將樣品放入一個密封的夾具內，再通過O型密封圈連接到設備的取樣臺上，將夾具內腔以及整個取樣通道都抽成真空狀態后，用穿刺鋼針在樣品外殼表面穿刺取樣測試，對比大腔體常規氣密封器件，這一操作難度較大，容易在操作過程中出現失誤或偏差。

1.2小腔體氣密封器件內部氣氛測試校準誤差分析

目前在每次測試時，測試人員都需要針對不同要求的氣氛（如水汽、氧氣、二氧化碳及氫氣等），選擇與實際氣密封器件相近的體積程序文件及校準腔體模塊分別進行測試，保證校準結果的準確性。

由于0.01cc小腔體氣密封器件測試時已經接近設備的極限值，從大量的測試數據可知，使用0.01cc體積檔校準的測試結果有較大的波動，并非一次修正就能達到規定校準偏差要求，往往需要多次校準及修正（如表1所示，1torr=133.322 Pa），因此對于0.01cc的器件測試校準難度更大。此外，密封器件的體積各異，但體積程序及校準腔體模塊卻只有固定的幾種體積檔位，因此需要測試前采用不同的體積檔校準，否則會導致校準結果的離散性較大，無法滿足校準的10%偏差以及水汽結果20%的偏差要求（如表2所示），造成0.01cc小腔體氣密封器件測試內部氣氛的誤差。

1.3小腔體氣密封器件內部氣氛測試夾具誤差分析

內部氣氛含量測試輔助夾具的主要作用是使器件的試驗氣體收集面形成規則平面，以便在保證密封性的同時進行測試。器件置于輔助夾具中，在真空狀態下與穿刺取樣臺密封連接。為了便于取放器件，在輔助夾具的內腔四周通常都留有一定余量，因此在抽真空時，夾具內部及器件與輔助夾具間隙也處于真空狀態，測試時形成了較大的多余腔體。這些輔助夾具的缺陷對測試結果容易造成極大的影響，在穿刺器件時，器件的內部氣氛會充滿這些間隙，導致對氣體收集形成了偏差。而小腔體器件自身內部氣氛含量少，采集分析過程更為敏感，易受到干擾。

測試設備的入口壓力值反映了采集氣體量以及氣氛進入真空系統的壓力濃度，從大量測試器件內部氣氛的入口壓力值數據可知，夾具的多余腔體導致了器件被穿刺時一定量氣氛擴散，延遲了氣氛采集速率，從而造成數據不準確或是無數據等現象的發生。同時標準中沒有明確規定夾具的基本要求，測試夾具也是各式各樣，從而導致測試結果存在明顯差異，這種現象在0.01cc小腔體器件中尤為明顯。

1.4小腔體氣密封器件內部氣氛測試誤差綜合分析

從大量的試驗證明，在保證測試操作過程正確及多次校準修正的前提下，0.01cc小腔體器件內部氣氛含量測試的準確性較差，同批次的內部水汽含量數據之間經常相差3～4倍（典型數據如表3所示），由此可知夾具的多余腔體是影響測試結果的主要原因。

20.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛含量新型測試夾具設計

為了提高測試結果的準確性，可根據夾具多余腔體的形成原理，改良夾具設計，避免器件在被穿刺后內部氣氛向外擴散，將器件密封范圍減小，限制在穿刺針扎破器件采集氣氛的局部，使氣氛高效地進入真空系統。根據設計思路建模如圖3所示。

選用內腔體積約為0.019cc的樣品進行設計夾具。輔助夾具的關鍵參數為：1）材料為鋁合金，夾具空腔內的密封襯底材料為0.5mm厚并具有彈性的硅橡膠，作用為測試輔助密封，外形尺寸與空腔尺寸配合；2）穿刺孔徑及深度，孔徑及深度尺寸只需滿足穿刺針通過即可：3）本文采用的小腔體樣品尺寸為3.20mm×2.50mm×0.85mm；原測試夾具空腔尺寸為18.30mm×11.20mm×18.30mm，為了提高測試精度，盡量縮小夾具的內部腔體尺寸，因此設計優化夾具空腔尺寸為3.25mm×2.56mm×0.9mm（如圖4所示），比被測樣品外形封裝體積大10%，體積與原夾具腔體體積相比縮小至1/500。

3 0.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛含量新型測試夾具驗證分析

使用改良優化后的夾具進行0.01cc小腔體器件內部氣氛含量測試驗證分析，驗證新型輔助夾具對測試其內部氣氛含量的有效性及準確性。

采用100只同批次的樣品，針對不同夾具，平均分為兩組，每組50只樣品進行驗證試驗。

為了避免除夾具差異之外因素的干擾，按GJB548B——2005方法1018對設備進行0.01cc體積檔修正校準，試驗樣品的預處理時間、溫度及測試時間均保持一致。試驗結果如表4、表5、圖5、圖6所示。

根據測試結果進行綜合分析如下：

1）水汽數據離散性比對分析

從兩組測試結果比對分析數據的離散性，使用原夾具測試的內部水汽含量數值分布區間為[140，2509]，新型夾具測試的內部水汽含量數值分布區間為[1218，2499]。根據概率式（1）～式（3）計算兩組測試數據的標準差及變異系數如下：

變異系數：

C·V=S/x×100% （3）

原始夾具內部水汽含量測試數據的標準差為687，變異系數為53%：新型夾具內部水汽含量測試數據的標準差為396，變異系數為22%，由此可見不同新老夾具的測試數據離散性差異明顯，證明新型夾具的測試數據一致性更好。

2）測試端口壓強比對分析

測試端口壓強值是設備采集被測樣品的氣體流量進入質量分析室的濃度，在保證測試過程一致的情況下，新型夾具在減少氣氛擴散，提高氣氛濃度方面更具優越性。原始夾具測試端口壓強平均值為約0.4torr，新型夾具測試端口壓強平均值約為0.6torr與標準檔腔體測試端口壓強相近，可見使用新型夾具測試0.0lee小腔體樣品的內部氣氛含量更準確。

通過以上的綜合分析可知，縮小夾具的內部腔體（體積跟原夾具腔體體積相比縮小至1/500），對于提升0.01cc小腔體器件內部氣氛含量的測試效果顯著。

4結束語

在目前國內尚未有基于飛行時間質譜儀的新型小腔體氣密封器件內部氣氛測試儀，只能在IVA-210s內部氣氛分析儀檢測設備能力的情況下，通過對0.01cc小腔體氣密封器件內部氣氛測試過程的誤差分析，找到影響測試誤差的主要因素為原始夾具的設計。通過運用樣品被穿刺后內部氣氛向外擴散的原理，對夾具進行設計優化，使夾具的內部腔體體積控制在被測樣品體積的110%之內，從而限制穿刺針扎破器件采集氣氛的范圍，使氣氛高效進入分析系統。經過對比驗證，新型夾具能夠提高0.01cc小腔體氣密封器件檢測的可行性及準確性，同時通過優化夾具來提高測試準確率的這種方法，也為提高非線性尺寸、特殊封裝器件的內部氣氛含量測試準確性提供了思路。