密封器件腔體內水汽和氫氣含量的控制方法

關亞男，趙鶴然

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

水汽和氫氣含量是密封器件封裝腔體內部氣氛控制的關鍵指標。一方面，器件腔體內水汽和氫氣來源多樣化，并且在組裝過程中會反復吸附；另一方面，隨著大規模集成電路的發展，芯片引出端數量大量增加，封裝腔體體積也隨之增加，使內部的氣氛變得更難控制。密封器件腔體內水汽和氫氣含量的控制成為密封工藝控制的重點環節[1-2]。

芯片表面凝結的水汽使器件表面漏電增加，引起器件電性能衰退；芯片表面吸附的水汽在通電時，會導致金屬鋁膜以原電池的形式發生電化學反應，從而腐蝕鋁膜。對于一些特殊的MEMS器件，水汽還會引起諸如表面張力等的變化，使MEMS參數漂移甚至失效[3-4]。

氫氣的存在可能引發“氫脆”現象，導致金屬材料性能的變化，造成質量隱患，特別是對砷化鎵微波器件性能和參數穩定性的影響較大。此外，封裝腔體內含有過量的氫氣，易導致密封區的空洞率過高，影響密封效果，嚴重的會造成密封失效[5－6]。

目前，對密封腔體內的水汽和氫氣的控制原理是基于高溫烘焙，使封裝腔體內的水汽和氫氣在密封前可以有效地散出或逸出腔體，并在整個封裝過程中嚴格控制再次吸附[7－8]。

綜上考慮，在此研究一種控制氣密性封裝器件內部氣氛的方法。根據水汽和氫氣的來源，采用有針對性的多重手段進行逐一控制，通過有效地控制封裝腔體內的氣氛，來大幅度降低密封器件腔體內的水汽、氫氣含量。

2 水汽、氫氣來源分析

封裝過程中涉及的材料包括芯片、管殼及蓋板、芯片粘接材料、鍵合材料、密封保護氣體等。封裝腔體內的水汽來源有多種，包括：芯片制造過程中吸附在芯片上的，封裝生產過程產生的（例如：劃片工序的水清洗、粘接固化時中有機物揮發）、管殼蓋板及鍵合材料本身吸附、環境里含有的水汽被封到封裝腔體里等等，這些水汽在高溫時會揮發掉大部分，但溫度恢復后會再次吸附一部分，也就是說，這些水汽在密封前可以反復吸附在封裝腔體內，因此在整個組裝過程中都要進行水汽控制。此外，還應考慮封裝腔體內的氫氣和氧氣發生化學反應生成的水，或是因為封裝氣密性不夠而漏進腔體內的水汽，如果是氣密性封裝，后一種情況可以不予考慮。封裝腔體內氫氣的來源主要是管殼和蓋板加工過程中的殘留。氣密性封裝器件的水汽、氫氣的存在情況如圖1所示。

圖1水汽、氫氣存在情況

3 控制方法

3.1 原材料控制

水汽控制的方法比較簡單，也是有氣密性封裝要求的器件比較通用的控制方法：高溫烘焙即可控制；氫氣的控制難度比較大，管殼和蓋板內殘留的氫氣揮發極慢，采用控制水汽的高溫烘焙方法對氫氣揮發速度影響不大，殘留在鍍層里的氫氣很難逸出，因此很難將其去除；蓋板上因為有焊料環的存在，不能承受太高的溫度，因此用一般方法處理蓋板和管殼，比較容易控制水汽的含量，但對氫氣的控制效果不明顯，這也是密封過程中可以將水汽的含量控制在5000ppm以下，而氫氣含量的控制卻達不到穩定的效果，通常在20000ppm以下，有時還達不到這個標準的原因。

在此主要介紹對管殼及蓋板的控制方法。首先對蓋板進行預處理，這是控制過程中最重要的一個環節。將蓋板和焊料環進行分離，要求保持焊料環的完整，并且不能對蓋板造成損傷。然后將焊料環保存在適當環境中，管殼和蓋板一起進行高溫烘焙，烘焙過程要保持真空狀態，以利于水汽和氫氣從管殼和蓋板中逸出。圖2為管殼和蓋板的烘焙過程示意圖。在烘焙過程中，真空度控制在0.1mbar~1.5mbar之間為宜，圖中恒溫區E的溫度要高于密封的溫度。

圖2烘焙過程示意圖

3.2 密封過程的控制方法

用處理過的管殼組裝成集成電路的半成品。密封前將半成品在真空-高純氮狀態下循環5～7次，同時溫度控制在120±5℃，以控制封裝腔體內的氣氛。裝配時，將待密封電路的半成品、拆卸的焊料環、蓋板按照次序疊裝在一起，采用夾具進行固緊和夾持。密封時，將待封裝的電路在高純氮的環境下預熱5分鐘，然后再加熱，持續一段時間后迅速降溫冷卻，以達到氣密性封裝的要求。

4 試驗驗證

以DIP24管殼為例，應用上述控制方法。工藝過程為：真空燒結粘片→32μm鋁硅絲鍵合→低溫燒結密封。

實際密封了幾組樣品，并與用傳統方法控制的同工藝過程密封樣品進行檢測對比。樣品編號如表1所示。

表1樣品編號

密封后直接進行內部氣氛檢測，測試數據見表2，示意圖如圖3。從測試數據可以看出，用新方法控制的水汽和氫氣的含量都相對更低，特別是氫氣的含量明顯降了下來。試驗證明新方法控制水汽和氫氣的效果明顯比傳統的控制方法更有效，含量波動更小，可以滿足更高質量等級的要求。

表2封裝后樣品內部氣氛檢測

圖3封裝后樣品內部氣氛

密封后的樣品經過考核試驗后，進行檢測對比，對比結果見表3，示意圖如圖4。對比結果表明：考核試驗沒有明顯對新方法和傳統方法控制的水汽和氫氣含量造成影響，也就是說這種新的控制方法未見有明顯的控制隱患存在（如果有，水汽或氫氣的含量會有明顯的變化，如含量明顯增加）。

表3經過考核試驗后的樣品內部氣氛檢測

圖4試驗后樣品內部氣氛

考核后樣品放置半年，再進行檢測比對，對比結果見表4，示意圖見圖5。對比結果表明：經過長時間放置，封裝腔體內的水汽和氫氣都沒有明顯的增加，說明密封后的腔體內沒有大量的新的水汽和氫氣生成,即新方法和傳統的控制方法都能有效控制水汽和氫氣的含量，而新方法控制的效果更好，更顯著。

表4放置后的樣品內部氣氛檢測

圖5試驗后靜止樣品內部氣氛

5 結束語

傳統的密封方法可以控制封裝腔體內的水汽和氫氣含量，使之達到普通的質量等級的要求。本次研究中新設計的方法，其控制原理與傳統方法沒有本質區別，但采用的是從源頭（原材料）開始控制，特別是加強對一些特殊環節的控制，必不可少的過程控制也同時兼備，所以這一新的方法可以很好地控制封裝腔體內的氣氛，大幅度降低密封器件腔體內的水汽、氫氣含量，滿足IC器件封裝的更高的質量等級要求。