電子元器件內(nèi)部水汽治理的實施與展望

/中國運載火箭技術(shù)研究院物流中心

元器件內(nèi)部水汽含量超標會對元器件的性能、貯存壽命和可靠性帶來嚴重影響，水汽含量超標造成的失效在元器件使用或貯存一段時間后才能發(fā)現(xiàn)，難以通過無損質(zhì)量檢驗及在應(yīng)用初期中發(fā)現(xiàn)，且一旦發(fā)現(xiàn)，一般為批次性質(zhì)量問題，常常會給型號研制生產(chǎn)帶來進度拖延、質(zhì)量成本大幅增加等嚴重后果，對航天型號產(chǎn)品質(zhì)量可靠性構(gòu)成嚴重威脅。

為此，中國運載火箭技術(shù)研究院加強了元器件內(nèi)部氣氛與元器件可靠性相關(guān)技術(shù)研究，強化了元器件內(nèi)部水汽含量檢測控制，協(xié)助元器件生產(chǎn)單位提升元器件生產(chǎn)過程水汽含量控制水平，形成針對元器件內(nèi)部有害氣氛控制的改進措施，使交付型號使用的元器件質(zhì)量得到有效控制，內(nèi)部水汽含量超標導(dǎo)致批次性質(zhì)量問題明顯減少。通過多年來的不斷控制、提升，元器件內(nèi)部水汽導(dǎo)致質(zhì)量問題的失效模式幾乎得以杜絕。

一、影響及機理分析

水汽作為元器件內(nèi)部的主要有害氣氛之一，對元器件的危害主要體現(xiàn)在以下4個方面：

1.導(dǎo)致元器件內(nèi)部鍵合點或內(nèi)引線腐蝕

由于元器件鍵合點和內(nèi)引線沒有保護層保護，因此與芯片表面有鈍化層保護的金屬相比，在水和腐蝕介質(zhì)的作用下更容易發(fā)生腐蝕，或直接發(fā)生酸腐蝕造成腐蝕部位電阻增大、電流容量和機械強度下降，腐蝕發(fā)展到一定程度最終導(dǎo)致開路失效。這種故障模式屬于性質(zhì)比較嚴重的潛在失效模式，不可預(yù)見，也沒有有效的篩選方法剔除，一旦發(fā)生就會對產(chǎn)品產(chǎn)生嚴重影響。

如果元器件內(nèi)部的芯片表面鈍化層存在缺陷（如劃傷、裂紋、針孔等），裸露的金屬化鋁條在水汽氣氛或強氧化氣體（如氧氣等）作用下也容易形成鋁腐蝕，導(dǎo)致鋁條腐蝕開路，元器件功能失效。

2.導(dǎo)致元器件絕緣性能下降或參數(shù)超差

元器件內(nèi)部含有大量水汽是引起元器件絕緣性能下降的原因之一，水汽本身就有微弱的導(dǎo)電能力，如果元器件內(nèi)部還含有其他腐蝕性介質(zhì)，在水汽的作用下更容易引起元器件的絕緣性能下降。

元器件內(nèi)部水汽含量超標，吸附在元器件芯片表面的水汽會形成漏電通道，導(dǎo)致元器件漏電流增大，引起元器件參數(shù)超差；元器件內(nèi)部的導(dǎo)電膠、絕緣膠等粘接材料在高溫試驗過程中會釋放有害氣體（如二氧化碳等），如果芯片的表面鈍化層存在缺陷，水汽和有害氣體（如二氧化碳等）形成的漏電通道對元器件參數(shù)的影響更大。

3.導(dǎo)致繼電器轉(zhuǎn)軸部位結(jié)冰

正常情況下繼電器線圈通電后，在軛鐵、鐵心、銜鐵及磁路間隙所組成的磁路就產(chǎn)生磁通，由此產(chǎn)生電磁吸力，吸引銜鐵向軛鐵的工作面靠近。當(dāng)線圈中的電壓達到一定值（吸合值），產(chǎn)生的吸力足以克服機械反力時，銜鐵被吸引到與軛鐵工作面緊貼的位置。與此同時，通過銜鐵上的推動桿推動四組中簧片與常開簧片接觸，從而使被控電路接通。線圈斷電后，電磁吸力消失，銜鐵在復(fù)原簧片力和接觸簧片反力作用下返回初始位置，觸點也跟著恢復(fù)到原來狀態(tài)。由于水汽含量超標，水汽在低溫狀態(tài)下在繼電器轉(zhuǎn)軸表面容易結(jié)冰，影響銜鐵正常動作，導(dǎo)致觸點不釋放而功能失效。

4.導(dǎo)致繼電器觸點粘結(jié)不釋放

中小功率繼電器內(nèi)部水汽含量過低（尤其是低于200ppm）時，在觸點表面就不宜形成表面膜電阻，特別是當(dāng)超行程較大時，金層原子間間距僅幾埃，更易相互嵌入，形成較大的范德華力，在簧片自身彈性變形產(chǎn)生的回復(fù)力小于該范德華力時，觸點形成粘接或不釋放的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致元器件失效。

二、原因分析

密封元器件內(nèi)部水汽含量控制與多種因素有關(guān)，如管殼質(zhì)量差、清洗不充分、封裝材料質(zhì)量、貼裝不當(dāng)、封焊設(shè)備質(zhì)量差或控制不當(dāng)、烘焙溫度和時間、未提出檢測控制要求等。

1.管殼或封裝材料質(zhì)量

若金屬或陶瓷管殼質(zhì)量較差、密封性能差，如封口、玻璃絕緣子或蓋板漏氣，致使周圍環(huán)境中的水汽滲入殼體內(nèi)，或管殼清洗不充分，均會影響水汽含量的控制。

貼裝用膠是釋放水汽的材料，膠在固化過程中，水汽不能充分排出，經(jīng)過長時間高、低溫歷練，再次釋放水汽，造成內(nèi)部水汽含量超標。據(jù)統(tǒng)計，共晶貼片的電路內(nèi)部水汽含量比聚合物膠貼裝小很多。

2.貼裝或封焊設(shè)備控制不當(dāng)

電路封裝產(chǎn)品貼裝不當(dāng)產(chǎn)生空洞，經(jīng)過高、低溫歷練后，加劇了空洞破裂放出內(nèi)部氣氛，經(jīng)過長期置放，其內(nèi)部水汽也將釋放到腔體，從而造成內(nèi)部水汽含量超標。

封裝設(shè)備比較陳舊或管理不嚴，使得封焊設(shè)備操作箱沒有完全密閉，密封性差，外界氣體能夠進入封裝設(shè)備內(nèi)部，而且操作箱體積較大、濕度難以控制，易導(dǎo)致內(nèi)部水汽含量超標。

3.烘焙溫度和時間

元器件的管芯和管殼在封裝前的烘焙溫度和時間也會對內(nèi)部水汽含量控制產(chǎn)生影響，如果元器件封裝前烘焙不充分（烘烤時間較短或溫度較低），封裝材料吸附的水汽和其他易揮發(fā)物就留在元器件腔體內(nèi)，這些殘留的水汽和易揮發(fā)物在高溫試驗（高溫貯存、溫度循環(huán)）過程中就會釋放出來，留在元器件腔體內(nèi)，導(dǎo)致元器件內(nèi)部水汽含量超標；反之，如果元器件封裝前烘焙充分，水汽含量就會控制的很低。

4.未提出檢測控制要求

由于用戶和生產(chǎn)單位未認識到內(nèi)部水汽含量超標對元器件造成的影響，故對內(nèi)部水汽含量未提出檢測控制要求，使內(nèi)部水汽含量超標的元器件交付使用，造成質(zhì)量問題頻頻發(fā)生。

三、對水汽含量控制的改進過程

元器件因內(nèi)部水汽含量超標，導(dǎo)致腐蝕失效等質(zhì)量問題嚴重影響航天型號產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性，帶來進度拖延、質(zhì)量成本增加等惡劣后果。為了杜絕水汽含量超標而導(dǎo)致失效的發(fā)生，確保元器件的質(zhì)量與可靠性，研究院在對水汽產(chǎn)生原因深入分析的基礎(chǔ)上采取了多種有效措施。

1.執(zhí)行國軍標要求

研究院于2000年底開始提出內(nèi)部水汽含量的指標控制要求，明確航天型號用元器件內(nèi)部氣體成分控制，要求半導(dǎo)體分立器件質(zhì)量一致性檢驗的周期性檢驗要按GJB128A增加內(nèi)部水汽含量分析；集成電路質(zhì)量一致性檢驗的周期性檢驗按GJB548A增加內(nèi)部水汽含量分析，內(nèi)部水汽含量應(yīng)控制在≤0.5%（5000PPM以下），并確定抽樣方案，提出了元器件加嚴質(zhì)量控制要求。

2.加強生產(chǎn)過程控制、提升質(zhì)量控制水平

元器件的缺陷是在生產(chǎn)過程產(chǎn)生的，結(jié)合國內(nèi)元器件生產(chǎn)單位薄弱的基礎(chǔ)設(shè)施和質(zhì)量控制水平，協(xié)助生產(chǎn)單位技術(shù)改造和科研攻關(guān)，從加強封裝材料的控制和選擇、加嚴封裝設(shè)備的控制、加強封裝工藝過程的水汽含量控制等方面提升能力和水平。

3.綜合考慮成本和效率，提出組合方案

在確保質(zhì)量的前提下，綜合考慮成本，提出了適合研究院特點和元器件質(zhì)量現(xiàn)狀的內(nèi)部氣體含量檢測組合原則實施方案，即在滿足以下條件的情況下，可以用一個批次一個品種的元器件內(nèi)部氣體含量檢測結(jié)果代替多個批次多個品種元器件的內(nèi)部氣體含量檢測結(jié)果。

·相同的封裝結(jié)構(gòu)、工藝和材料（含管殼型號及批次）。

·相同的封裝設(shè)備和環(huán)境（至少應(yīng)在同一場地、溫濕度在同一控制范圍）。

·當(dāng)型號批次以周為最小單位時，應(yīng)為氣氛含量檢測結(jié)果報告所檢批次的當(dāng)周到此后3周（共4周）；當(dāng)以月為最小單位時，與內(nèi)部氣體含量檢測結(jié)果報告的相同批次。

4.對重點產(chǎn)品提出更高水汽控制要求

為進一步提高元器件可靠性，避免因水汽含量超標導(dǎo)致失效，滿足工程長期貯存需求，某重點型號用元器件提出了加嚴的內(nèi)部氣氛控制要求，對密封腔體的國產(chǎn)元器件，如半導(dǎo)體分立器件、單片集成電路、混合集成電路、繼電器等必須進行內(nèi)部氣氛檢測，控制水汽不大于3000ppm、氫氣和氧氣不大于4000ppm、二氧化碳不大于5000ppm，以滿足長期貯存可靠性要求。

四、今后工作展望

通過對元器件內(nèi)部水汽含量超標原因分析，根據(jù)水汽含量超標原因協(xié)調(diào)元器件生產(chǎn)單位加強生產(chǎn)過程控制，將元器件內(nèi)部氣體含量檢測納入元器件考核的重要指標并加以控制，以確保航天型號用元器件的質(zhì)量可靠性。通過上述措施的實施，元器件內(nèi)部水汽含量超標的現(xiàn)象得到了有效控制，水汽含量控制已取得顯著成效，元器件因內(nèi)部氣體含量超標而引起失效的質(zhì)量問題已基本杜絕。

后續(xù)，要進一步深入研究內(nèi)部水汽含量與元器件功能、貯存的關(guān)系，進而研究元器件內(nèi)部水汽含量控制工作，協(xié)調(diào)供方在生產(chǎn)過程探索適宜的控制參數(shù)，如焙烘參數(shù)（烘焙溫度、時間）等，將水汽含量控制在合適的范圍，以期在保證元器件可靠性的同時降低元器件成本。

除了水汽含量超標引起元器件失效外，氧氣、氫氣、二氧化碳的存在亦會對元器件的可靠性造成影響。氧氣的存在，一方面和水汽共同作用，加速電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)引線鍵合界面發(fā)生腐蝕，鍵合強度下降，形成開路功能失效；另一方面，如果元器件內(nèi)部芯片和其他元件的粘接使用軟焊料（如鉛錫焊料等），在元器件內(nèi)部氧含量較多的情況下，軟焊料容易被氧化，形成黑色氧化物，導(dǎo)致剪切強度下降，甚至掉片，影響元器件的質(zhì)量可靠性和貯存壽命。氫氣的存在，一方面與氧氣相互作用形成水汽，對元器件可靠性造成影響；另一方面，同GaAs器件的金屬化系統(tǒng)相互作用，發(fā)生置換反應(yīng)，引起GaAs器件功能退化。二氧化碳的存在，與元器件內(nèi)部水汽相互作用形成弱酸碳酸，對器件造成腐蝕，同時亦加速水汽對元器件失效破壞，影響元器件的質(zhì)量可靠性和壽命。因此，部分航天用密封元器件對元器件內(nèi)部氧含量、氫含量、二氧化碳含量也進行規(guī)定，但對上述氣氛的影響機理認識還不成熟，有待在后續(xù)工作中進一步深入研究探討。▲