內部水汽分析及控制

杜先兵

摘 要：本文從水汽含量檢測對密封器件內部內部氣氛種類及來源進行分析，分析了造成水汽含量過高的原因和機理，提出了有效控制水汽含量的措施及方法。

關鍵詞：密封器件；內部水汽含量

引言

電子元器件產品的可靠性提高，是整機系統質量及可靠性保證的基礎。密封器件內部水汽及殘余氣氛是影響密封器件質量與可靠性的重要因素之一，是目前國內普遍存在的問題。水汽等內部殘余氣氛的狀況對電路的性能、壽命和可靠性影響很大，往往容易造成早期的失效和性能劣化。主要表現在以下幾個方面：造成內部環境的污染，加速腐蝕作用、形成電路的短路或燒毀、電路參數漂移、低溫性能惡化。

綜上所述，必須密封器件的內部水汽的種類及來源進行分析，以便對密封器件內部的水汽采取措施進行控制，保證器件的質量及可靠性

1、內部水汽對電子器件的影響

密封器件內部水汽含量較高時對電子元器件兩個方面的危害：

一是產品電性能不穩定，且表現出與溫度關系明顯。從機理上分析，如果密封器件內部水汽含量較高，在低溫狀態下，水汽會在芯片表面結霜，造成產品的漏電流增大，參數超差，甚至失效。在生產過程中，我們曾對一批水汽含量超標的產品進行試驗，將產品放入-55℃低溫烘箱30min后，取出利用晶體管觀察產品擊穿特性，發現擊穿熱性出現蠕變現象。

二是造成產品的可靠性差。在電子元器件中，芯片與外引線連接采用金絲或鋁絲鍵合的方法形成互聯，出現所謂的雙金屬接點。對于這種情況，為了保證雙金屬結合系統可靠連接，電子元器件內部的水汽含量必須很低方可實現。較高的水汽會對Al系統造成腐蝕，導致器件開路。當芯片或電路內存在污染物時，在較高的水汽含量下，污染物會在水汽的作用下形成電解液，發生電化學反應，使器件和電路的多層金屬化受到腐蝕。

2、內部水汽分析

2.1、內部氣氛種類及來源

為了掌握樣品內部水汽及其他氣氛的含量，以便分析樣品的質量及可靠性，密封器件的內部氣氛測試是必須的，從我廠送檢的密封器件的水汽檢測表中可以看出水汽及其他氣氛主要有：

（1）水汽

任何密封電子元器件內部都含有水汽。水汽有3個只要來源：

外殼漏氣部位滲入的水汽。樣品本身氣密性低或有泄漏，密封后空氣進入。這種情況，伴隨著氧氣（Oxygen）和氬氣（Argon），經過檢漏后，會有氦氣（Helium）和氟碳化合物（Fluorocarbons）。

內部排放的水汽。在物理參數如時間、溫度、壓力作用下發生的化學反應，產生水汽。芯座或管帽內壁表面吸附的水汽或芯座、管帽存在封入水汽的細微氣泡，在時間、溫度、壓力作用下，使封裝后的產品內部排放水汽。

封裝操作時，封口箱體氣氛中的水汽。這部分含量可能較少。

（2）氮氣（Nitrogen）

氮氣是必要的參數。通常采用純氮氣作為保護氣體，氮氣含量應在99%以上。

（3）氧氣（Oxygen）

空氣中的氧氣含量大約在20%左右。但氧氣是有一種易反應的氣體，在高溫條件下，可能使內部材料中碳氧化合物氧化和金屬表面氧化，所以應控制氧含量，在半導體分立器件規范中規定了氧含量不允許超過1000PPM

（4）氬氣（Argon）

在純氮氣封裝的器件內部氬氣含量應該小于500PPM以下，在干燥空氣中，氬氣的含量大約9340ppm。氬氣與氧氣比例關系可作為判別樣品是否漏氣的參考依據之一。

（5）二氧化碳（Carbon_Dioxide）

通常二氧化碳是封裝內部材料釋放或生成的，它可能使在溫度應力作用下，樣品內部材料中碳氧化合物氧化的產物，二氧化碳的含量從100ppm到幾個百分點，高含量二氧化碳和水汽，會對暴露的金屬化產生腐蝕。

（6）氫氣（Hydrogen）

通常氫氣是低氣壓或封裝后電鍍層金屬表面釋放的氣氛。氫氣含量大于10%表示密封腔體內部壓強較低。氫氣在水汽環境中非常活躍，會產生更多的混合氣氛。

（7）氦氣

一般氦氣用作檢漏氣體。有氦氣存在并伴隨氟碳化合物、高含量的水汽、氧氣、氬氣，表示樣品存在漏氣現象。有時也用氮氣/氦氣混合作為封裝氣體，氮氣含量應在78%以上。宇航及產品要求封口時，封入10%的氦氣

（8）其他殘余氣氛

殘余氣氛如甲醇、已醇、丙酮、甲苯等，通常是有機材料、殘余溶劑、殘余清洗劑等揮發出來的。封口前烘烤工藝的不同，揮發釋放的氣體也不同。環氧材料在高溫下會產生氨氣（Ammonia）。這些殘余氣氛在高溫作用下逐漸分解，與水汽作用后形成高酸或高堿環境，對金屬化部位產生腐蝕作用。

2.2、內部氣氛分析示例

從上述內部氣氛種類及來源的分析入手，對我廠的某批次產品水汽超差的原因進行分析。

根據表1中的水汽檢測結果氧氣和氬氣均未超標，可排除因樣品本身氣密性低或有泄漏，密封后空氣進入水汽的情況。對該封帽工藝操作進行復查，該批在生產宏產品按正常工藝進行操作和控制，同時送檢樣管未發生批次性水汽超差情況，因此可排除封帽操作時，封口箱體氣氛中的水汽的情況。

從上述分析來看，造成144#水汽含量超差的原因是芯座或管帽內壁表面吸附的水汽或芯座、管帽存在微小的封入水汽的氣泡，在產品經過高溫貯存、溫度循環、恒定加速度等溫度、時間、壓力的作用，芯座或管帽內壁表面吸附的水汽及微小氣泡產生破裂將氣泡內的水汽被釋放，造成產品水汽含量超差。

3、內部水汽分析

3.1內部水汽含量偏高的原因

從上述內部水汽分析來看，造成密封器件內部水汽含量較高的原因主要有以下三方面因素：

一是封裝材料殼體的密封性能差，如封口、 玻璃絕緣子或蓋板漏氣，致使周圍環境中的水汽滲入殼體內；

二是預烘焙不夠充分或封帽時控制不當，使封帽后殼體內材料吸附的水汽釋放出來，或封帽時已經引入了較多的水汽；

三是封帽時氮氣的純度不高導致水汽含量不合格。

3.2降低水汽含量的措施

針對造成水汽含量偏高的三個原因，在生產過程中，分別采取以下相應控制措施，對密封產品的內部水進行控制。

封裝原材料的控制和選擇：零部件封裝材料質量直接影響到產品的密封性，從原材料的進廠檢驗到加工工藝過程控制至關重要，選用密封性能好的零部件，同時對零部件進行嚴格的質量一致性檢驗和檢驗驗收工作，控制好零部件封裝材料的質量。

封裝工藝過程的水汽含量控制：首先，對等待封裝的產品的芯座或管帽進行高溫烘焙，去除芯座、管帽帽表面吸附的水汽。高溫烘焙在能夠穩定產品的電性能的同時，去掉產品中揮發性氣體（包括水汽）的作用，表2為我廠現有成熟的封帽前烘焙工藝。

對封帽用惰性氣體的控制：對于封帽時氮氣的純度不高的第三條原因，應采取改進設備的方法，以提高氮氣的純度。當氮氣傳輸管道離封帽設備較遠時還應進行就近二次純化，封帽時用露點儀實施監測氮氣的露點。

結束語

本文分析了密封器件內部內部氣氛種類及來源，并對電子元器件封裝水汽水汽含量過高對產品性能及可靠性的影響，分析了造成水汽含量過高的原因和機理，提出了有效控制水汽含量的措施及方法。

參考文獻：

[1] GJB33A-97半導體分立器件總規范

[2] GJB548A-96微電子器件試驗方法和程序

[3] GJB2438-95混合集成電路總規范

[4]王蘊輝、于宗光、孫再吉，《電子元器件可靠性設計 》，科學出版社，2007年