光電耦合器內部氣氛控制技術及工藝研究

吳瓊瑤

光電耦合器內部氣氛控制技術及工藝研究

吳瓊瑤

（中國電子科技集團公司第四十四研究所，重慶 400060；重慶光電技術研究所，重慶 400060）

為滿足尖端領域對高可靠性元器件內部氣氛控制的要求，分析了內部氣氛的構成及現有內部氣氛控制水平，并基于現有工藝，采取多維度內部氣氛控制的工藝措施，在各工藝維度上，通過試驗研究對工藝條件進行迭代驗證，并增加配套控制措施，確定了各工藝維度的條件。經過試驗驗證，內部氣氛控制水平有顯著提升，可滿足航天高可靠性的控制要求且有較大余量。

光電耦合器；內部氣氛；多維度內部氣氛控制；迭代驗證

光電耦合器較塑封器件具有更高的可靠性[1]，廣泛應用于航空、航天等尖端領域[2]。隨著整機可靠性等級的不斷提高，對涉及元器件可靠性的內部氣氛控制能力提出了更高的要求[3]。相應地，空封器件的內部氣氛控制技術成為近年的研究熱點[4-6]。本文在分析內部氣氛構成的基礎上，從工藝過程的角度提出了內部氣氛控制措施，并經試驗證明了其可行性。

1 內部氣氛的構成及影響

在光電耦合器的腔體內氣氛中，對器件可靠性影響較大的主要包括水汽（H2O）、氫氣（H2）、氧氣（O2）和二氧化碳（CO2）幾種成份。上述成份中，H2O會加速對光耦芯片的金屬化層或鍵合絲的腐蝕，導致電路絕緣性能變差，引起漏電流變大；H2會與O2反應生成H2O，O2自身也會導致材料的氧化；CO2會和H2O反應，形成了酸性環境，進而腐蝕腔體內裸露的金屬。

由此，必須控制上述成份的含量以提高器件可靠性。研究表明[7]，必須保證H2O含量小于等于0.3%，H2含量小于等于0.25%，O2含量小于等于0.4%，CO2含量小于等于0.5%，方可保證航天高可靠性的控制要求。

2 現有內部氣氛控制水平分析

采用陶瓷體尺寸為6.6 mm×4.9 mm×3.2 mm的SO4光電耦合器作為研究對象，其內腔體積約為16 mm3。

制作60只樣品，其內部氣氛控制條件包括：管殼除氫溫度160 ℃，時間8 h；管殼清洗后用去離子水沖洗次數2次；管殼清洗后烘烤溫度為125 ℃，烘烤時間1 h；共晶焊工藝中氫氣保護；封裝前無高溫烘焙和真空烘焙步驟。

分別在生產及檢驗的不同階段進行內部氣氛檢測，數據如表1所示，表中數據為平均值。

數據表明，封裝后各成份含量均小于0.2%，但隨著環境應力的積累（篩選試驗中的環境應力包括150 ℃下96 h的烘烤、﹣55～125 ℃下10次溫度循環，以及85 ℃下96 h的電老練，穩態壽命試驗中的環境應力包括85 ℃下1 000 h的加電工作），H2O、H2、CO2含量顯著增加，最高接近0.8%，不滿足航天高可靠性的控制要求。

表1 現有工藝下不同階段的內部氣氛（單位：%）

階段O2H2OH2CO2 封裝后0.041 360.042 160.039 020.165 72 篩選試驗后0.066 820.494 00.257 720.776 0 穩態壽命試驗后0.112 280.460 540.672 00.515 98

H2O主要來源為管殼和芯片在清洗后烘干不充分導致水汽吸附于表面，另外H2和O2在高溫環境下反應產生以及助焊劑含水也是重要來源。H2主要來源為陶瓷管殼制備過程中，由于氫在鐵鎳合金溶液中具有很高的溶解度，在電鍍時，氫會伴隨金屬一同沉積并存在于鍍層和陶瓷表面。O2主要來源為共晶焊料燒結過程中析出，由于去除還原氣體H2，因此會導致芯片燒結過后析出大量O2，另外封裝環境中的O2和鎳金表面吸附的O2也是重要來源。CO2主要來源為共晶燒結過程中的助焊劑以及燒結后殘留的助焊劑在高溫下氧化產生，并吸附于焊接面和管殼表面，封裝環境中的O2也是重要來源。由此，可以使用針對性的工藝措施進行解決。

3 控制內部氣氛的工藝改進措施

采取多維度內部氣氛控制工藝措施，并開展了相應的研究。

3.1 管殼除氫

管殼除氫通過高溫烘烤使殘留H2提前溢出，以減弱對內部氣氛的影響。經過試驗研究，將除氫的條件按160 ℃下8 h、200 ℃下12 h、240 ℃下24 h的條件進行迭代驗證，并確定為除氫條件。

3.2 管殼清洗

管殼清洗主要是減少管殼上有機雜質的殘留。

經過試驗研究，將有機溶劑浸泡和超聲時間按10 min、15 min的條件進行迭代驗證，將管殼清洗后去離子水沖洗次數按2次、5次、10次的條件進行迭代驗證，要求管殼一次性清洗不超過50只，以保證清洗充分，并確定為管殼清洗條件。

3.3 共晶焊燒結

在共晶焊燒結過程中，通過控制H2用量以及焊料的用量減少H2、H2O的殘留與釋放。

經過試驗研究，不斷減少H2用量并最終使用純N2作為保護氣體，在焊料涂覆時，將手工涂覆改為絲網印刷，并減小絲網孔徑以減薄焊料層，最終確定共晶焊燒結及焊料涂覆條件。

3.4 燒結后清洗

燒結后清洗主要是去掉多余的助焊劑，以控制H2O、O2、CO2的后續釋放。

經過試驗研究，采用氣相清洗以提高助焊劑的去除效果，將氣相清洗清洗后去離子水沖洗次數按2次、5次、10次的條件進行迭代驗證，要求燒結后4 h內完成清洗，以保證清洗充分，并確定為燒結后清洗條件。

3.5 清洗后烘烤

清洗后烘烤包括管殼清洗后烘烤和燒結后清洗烘烤，主要是去除殘存的有機清洗液，以防化學反應導致H2、H2O、O2、CO2的后續釋放。

經過試驗研究，將清洗后烘烤溫度按125 ℃、150 ℃的條件進行迭代驗證，烘烤時間按1 h、1.5 h的條件進行迭代驗證，并確定為清洗后烘烤條件。

3.6 封裝

經過試驗研究，在封裝前增加150 ℃下的高溫真空烘焙過程，以促使管殼及金屬化表面吸附的H2、H2O、O2、CO2氣體有效釋放，并將烘焙時間按48 h、96 h、120 h的條件進行迭代驗證，確定為烘焙條件。

另外，在封裝之前增加氣體置換過程，經過8次通氮氣、抽真空循環，排除在設備封裝空間內的H2、H2O、O2、CO2氣體以減少其含量。

4 工藝改進措施的內部氣氛控制效果驗證

仍采用前述光電耦合器進行驗證，制作60只樣品，制作過程中采用前述各項工藝改進措施，并分別在生產及檢驗的不同階段進行內部氣氛檢測，數據如表2所示，表中數據為平均值。

表2 工藝改進后不同階段的內部氣氛（單位：%）

階段O2H2OH2CO2 封裝后0.089 820.046 630.017 180.042 54 篩選試驗后0.035 400.023 510.012 220.025 67 穩態壽命試驗后0.007 540.012 520.009 810.034 72

數據表明，封裝后除O2含量接近0.09%外，其余成份含量均在0.05%以下，在經歷篩選試驗和穩態壽命試驗的環境應力后，各成份含量均在0.05%以下，較工藝改進前有顯著改善，各參數值均滿足航天高可靠性的控制要求，且有較大余量。

5 結論

在現有生產工藝的基礎上，采取多維度內部氣氛控制工藝措施，從管殼除氫、管殼清洗、共晶焊燒結、燒結后清洗、清洗后烘烤、封裝等工藝維度上，通過試驗研究對工藝條件進行迭代驗證，并增加配套控制措施，最終確定各工藝維度的條件。經試驗驗證，各內部氣氛成份的含量較改進前有顯著改善，滿足航天高可靠性的控制要求且有較大余量，表明工藝改進措施有效，為后續新研項目產品內部氣氛控制奠定了基礎。

［1］張秀霞.半導體器件和集成電路水汽含量控制的研究［J］.封裝工藝與設備，2009，171（4）：48-50，52.

［2］歐熠，王堯，冉龍明，等.一種宇航高可靠光電耦合器內部水汽含量攻關［J］.電子與封裝，2017，17（2）：9-10.

［3］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.

［4］肖玲，徐學良，李偉.混合集成電路內部氣氛研究［J］.微電子學，2005，4（2）：157-160.

［5］趙瑞蓮，歐熠，殷悅.多次燒結、清洗對壓焊工藝的影響［J］.半導體光電，2015（5）：746-749.

［6］談侃侃，楊世福，李茂松，等.混合微電路內部水汽含量控制技術［J］.微電子學，2014，44（4）：546-549.

［7］楊晨，張素娟.密封封裝內部水汽含量判據研究［J］.電子元器件與可靠性，2010，28（5）：18-22.

TN622

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.054

2095－6835（2020）09－0128－02

吳瓊瑤，高級工程師，從事電子元器件的檢測技術研究、失效分析及可靠性技術研究。

〔編輯：王霞〕