光學檢漏的試驗時間問題

肖漢武

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035）

0 引言

與傳統的檢漏技術不同，光學檢漏（Optical leak test，OLT）可以一步完成細檢漏、粗檢漏過程，且檢測時間（即試驗時間）明顯低于傳統的氦質譜細檢漏和碳氟化合物粗檢漏，是一種效率極高的檢漏技術。

光學檢漏方法于1994年最早被引入了美國軍用標準STD-MIL-883E“微電路試驗方法”中，經過不斷改進，在STD-MIL-883J中給出了光學檢漏的漏率計算公式[1]，之后該檢漏方法得以快速推廣應用。我國軍用標準GJB 548B-2005“微電子器件試驗方法和程序”中第5節的方法1014.2引入光學粗檢漏（試驗條件C4）、光學粗/細檢漏（試驗條件C5）。正在修訂中的GJB 548C也直接引用了STD-MIL-883J中關于光學檢漏試驗方法的最新規定，但其應用才剛剛起步。

STD-MIL-883J雖然給出了光學檢漏的漏率計算公式，但對于光學檢漏的試驗時間、壓力等均未明確規定，與傳統氦質譜細檢漏、碳氟化合物粗檢漏中明確的試驗條件（壓力、等待時間t1、t2）一樣，這些試驗條件對具體的檢漏過程有重要的指導意義。本文主要討論光學檢漏中蓋板剛度與試驗時間、壓力及標準漏率之間的關系，計算了各種芯腔體積下為確保足夠的檢漏靈敏度所必須的最短試驗時間。

1 試驗時間的計算

1.1 試驗時間

光學檢漏是利用光學干涉儀測量檢漏加壓過程中，因加壓氣體通過漏孔進入封裝腔體內使得內部壓力發生變化進而導致封裝蓋板物理形變發生的形變變化量，并將這種蓋板物理形變變化量轉換成封裝的實際漏率。與傳統的氦質譜檢漏類似，光學檢漏需要對待檢測器件進行加壓。具體的檢漏步驟為：首先將待檢測封裝蓋板放置在加壓腔室內，系統對加壓腔室先施加一個正弦曲線的壓力過程，同時測量蓋板的相應形變并自動計算封裝蓋板剛度值；然后系統開始標準的測試周期，即按照設定的加壓壓力對腔室加壓，并維持加壓壓力。加壓穩定后，封裝腔體內外存在一個固定的壓力差，在此壓差作用下，封裝蓋板迅速凹陷。若封裝存在漏孔缺陷，加壓氣體（以氦氣為例）通過漏孔進入封裝腔體內使得內部出現氦氣分壓。此時蓋板內外兩側壓力差開始變小，其差值在一個測試周期內隨時間而變化。測試周期內蓋板兩側壓差的變化使得蓋板凹陷程度逐漸減小，激光干涉儀測量封裝蓋板物理形變的變化量（即試驗最后時刻與加壓后達到最大形變時刻的蓋板形變量差值），通過計算機自動計算出該封裝的實際漏率。最后，加壓腔室內氣體釋放，光學檢漏過程結束。

圖1為光學檢漏過程示意圖[2]。與常規氦質譜檢漏類似，光學檢漏同樣存在細漏、粗漏和合格三種狀態。可以看出，密封合格器件在一個測試周期內蓋板形變無變化，即一直維持一個最大的物理形變，這是因為器件內部未形成氦氣分壓，蓋板內外兩側壓力差固定不變，如圖1（a）所示；當器件存在一個很大的漏孔時，開始加壓時，氣體很快通過漏孔進入封裝腔體內，蓋板內外兩側壓力迅速達到平衡，此狀態下，蓋板維持初始狀態，如圖1（b）所示；當器件存在微小漏孔時，在測試周期初始階段，封裝腔體內外壓差最大，蓋板出現最大凹陷。隨后氦氣不斷進入封裝腔體，氦氣分壓逐漸增大，蓋板內外兩側壓力差變小，蓋板凹陷相應變小（蓋板形變變化量變小），如圖1（c）所示。

圖1 光學檢漏的三種蓋板形變狀態Fig.1 Three status of the lid deflection during optical leak test

由于加壓結束后器件的實際漏率結果即可同時給出，其一個測試周期即為光學檢漏的試驗時間，顯然，試驗時間也等同于器件的加壓時間t。傳統氦質譜檢漏的試驗時間則是包括氦氣加壓時間t1和去除壓力后到漏氣檢測之間的停頓時間t2。正如氦質譜檢漏的加壓時間t1和停頓時間t2影響氦質譜檢漏的測量漏率，OLT的試驗時間將決定其最小可檢測等效標準漏率。

1.2 光學檢漏靈敏度

光學檢漏的靈敏度取決于激光干涉儀的分辨率R，與激光波長、激光掃描頻率等相關。激光波長越短，掃描頻率越快，分辨率也越高。激光干涉儀的分辨率通常為幾個納米，目前市面上的光學檢漏儀采用的是綠色激光光源，激光波長為532 nm，可探測的最小形變量為5 nm。也就是說，目前光學檢漏儀的靈敏度為0.005μm。雖然紫光波長更短，有利于分辨率的提升，但紫光對于金屬蓋板鍍層的影響更明顯，目前并未應用于光學檢漏儀。

1.3 最小可檢測壓力變化量

光學檢漏的實質是通過激光干涉儀探測封裝蓋板在檢漏腔室壓力作用一定時間（試驗時間t）后蓋板形變的變化量來計算封裝的實際漏率。最小可檢測壓力變化量是指蓋板在激光干涉儀可探測的最小形變量對應的封裝腔體內部壓力的變化量，用pmin來表示，單位為Pa。

封裝蓋板在壓力作用下發生形變，其形變量與蓋板剛度S和蓋板內外兩側的壓力差相關[3-4]。光學檢漏儀所能探測到的最小蓋板形變量即為激光干涉儀的分辨率R，對應的蓋板內外兩側的壓力差即為最小可檢測壓力變化量，三者之間的關系可以通過式（1）表示。

式中：pmin為最小可檢測壓力變化量，Pa；R為激光干涉儀分辨率，μm；S為蓋板剛度，μm/Pa。

1.4 封裝腔體實際壓力變化量

OLT中封裝腔體在檢漏腔室的加壓過程與傳統氦質譜檢漏中的加壓過程相似，但前者的加壓時間即試驗時間遠低于后者。OLT通常采用氦氣進行加壓，倘若器件存在密封不良，在試驗時間內封裝腔體內部的氦氣分壓pHe（即封裝腔體實際壓力變化量）將增大，其值可以借用氦質譜檢漏式（2）進行計算。

式中：pHe為進入封裝腔體內部的氦氣分壓，Pa；L為等效標準漏率（空氣），Pa·cm3/s；pE為 檢漏腔室氣體加壓壓力，Pa；p0為標準大氣壓力，Pa；t1為氦氣加壓時間，s；t2為加壓放氣后到開始氦質譜檢漏的候檢時間，s；V為封裝腔體體積，cm3。

在整個試驗過程中，封裝腔體一直處于加壓狀態，不存在放氣過程，式（2）中t2部分可以省略。式（2）可簡化為：

式中：t為光學檢驗試驗時間，s。

蓋板形變時本身會引起封裝腔體內部初始壓力的變化，倘若器件沒有泄漏，那么這種壓力變化是固定不變的。因此可忽略蓋板形變引起的內部壓力變化，故光學檢漏過程中封裝腔體內部的壓力變化量即為加壓過程中氦氣進入腔體內的氦氣分壓。

對于一個存在漏孔的封裝，光學檢漏開始加壓時（即t=0），封裝腔體內氦氣分壓為0，此時腔體的內外壓力差為腔室加壓壓力pE減去封裝腔體內的初始壓力pini。蓋板在腔室加壓壓力的作用下產生一個初始形變，也是最大形變；當加壓至某個時刻（即試驗時間t），封裝腔體內部氦氣分壓增加至pHe，相對于t=0時刻，此時封裝腔體實際壓力變化量為pHe-0。隨著試驗時間t增加，封裝腔體內氦氣分壓pHe增大，實際壓力變化量增大，但封裝腔體的內外壓力差pE-pini-pHe變小，蓋板形變量隨之減小。當漏孔足夠大或時間足夠長時，pHe=pE，蓋板恢復至原始的狀態，此時蓋板形變量最小[2]。

根據式（3），在最大允許等效標準漏率L（即現行標準所規定的等效標準漏率的最大極限值，又稱等效標準漏率拒收判據）下，計算了不同封裝腔體體積在不同試驗時間內的封裝腔體壓力變化量pHe。根據計算結果繪制了封裝腔體體積0.005～10 cm3范圍內腔體壓力變化量pHe與試驗時間t的關系曲線，如圖2所示。可以看出，不同體積下的關系曲線呈線性，即在漏率為最大允許等效標準漏率情形下封裝腔體的壓力變化量與試驗時間基本成正比關系。

圖2 最大允許等效標準漏率下封裝腔體壓力變化量與試驗時間的關系曲線Fig.2 The relationship between the pressure change inside the package cavity and the test time under the maximum allowable equivalent standard leak rate

1.5 最小試驗時間

光學檢漏中只有當封裝腔體壓力變化量大于或等于蓋板的最小可檢測壓力變化量時，激光干涉儀才能有效探測其蓋板形變，進而得出該封裝的實際漏率。在實際檢漏中，在最大允許等效標準漏率下，當封裝腔體壓力變化量達到蓋板的最小可檢測壓力變化量時，相應的時間即為最小試驗時間。

由上述分析可以知道，蓋板的最小可檢測壓力變化量與蓋板的剛度緊密相關，剛度越大，蓋板彈性越好，其最小可檢測壓力變化量越小。由于封裝腔體壓力變化量與試驗時間呈近似正比關系，實際檢測中僅需較短的試驗時間，封裝腔體的實際壓力變化量即可超過蓋板的最小可檢測壓力變化量。相反，剛度越小，蓋板彈性越差，其最小可檢測壓力變化量也越大，所需的試驗時間相應變長。

將式（3）中pHe替換為pmin，則對應的試驗時間tmin（最小試驗時間），由此可推導出最小試驗時間計算式（4）：

式中：pmin為最小可檢測壓力變化量，Pa；Lmax為最大允許等效標準漏率（空氣），Pa·cm3/s；tmin為最小試驗時間，s。

如前所述，最小可檢測壓力變化量pmin與蓋板剛度S相對應，將式（4）中的pmin用蓋板剛度S來替換，得到式（5）。

式中：R為激光干涉儀分辨率，0.005μm；S為蓋板剛度值，μm/Pa。

利用式（5）計算最小試驗時間tmin，根據其結果繪制封裝腔體體積0.005～10 cm3范圍內二者之間的關系曲線，如圖3所示。為試驗參照方便，圖和表中最小試驗時間的單位為min。由圖可以看出，最小試驗時間隨蓋板剛度增大而減小。

圖3 最大允許等效標準漏率下蓋板剛度與最小試驗時間的關系曲線Fig.3 The relationship between the lid stiffness and the minimum test time under the maximum allowable equivalent standard leak rate

表1列舉了不同最小可檢測壓力變化量/蓋板剛度在最大允許等效標準漏率下對應的最小試驗時間具體數值。

表1 不同最小可檢測壓力變化量/蓋板剛度在最大允許等效標準漏率下對應的最小試驗時間Tab.1 The minimum test time corresponding to the different minimum measurable pressure change or the lid stiffness under the maximum allowable equivalent standard leak rate

由表1可以看出，當封裝腔體體積V=0.01 cm3，蓋板剛度S=7.25×10-6μm/Pa時，在5.00×10-3Pa·cm3/s的允許等效標準漏率下采用517 000 Pa加壓時對應的最小試驗時間為1.68 min，故其試驗時間應為2 min以上。對于一個腔體體積V=0.05 cm3，蓋板剛度S=7.25×10-6μm/Pa的封裝，同樣采用517 000 Pa加壓時，其最小試驗時間為4.21 min，因此試驗時間不低于5 min即可。顯然，封裝腔體體積越大，其最小試驗時間也越長。如同樣是蓋板剛度S=7.25×10-6μm/Pa、腔體體積V=2 cm3的封裝，其最小試驗時間接近30 min。從這一點也可以看出，光學檢漏方法對大尺寸封裝的檢漏效率比小尺寸封裝要低很多。

2 討論

2.1 大尺寸腔體的局限

從上述計算中可以看出，封裝蓋板剛度越小，其最小可檢測壓力變化量也越大；反之，剛度越大，對應的最小可檢測壓力變化量也越小。對于腔體體積較小的封裝，較短的試驗時間內即可達到足夠的封裝腔體壓力變化量；然而，當封裝腔體體積過大時，即便是試驗時間加長，封裝腔體壓力變化量依舊較小，有可能小于其蓋板的最小可檢測壓力變化量。從表1可知，當封裝腔體體積超過4 cm3，同樣在蓋板剛度S=7.25×10-6μm/Pa的的情形下，其最小試驗時間將超過60 min。這是光學檢漏的局限性。

對于腔體體積過大的器件，通過增加試驗時間、加大氦氣加壓壓力可以增加封裝腔體壓力變化量，但氦氣加壓壓力不可過大，否則存在因蓋板凹陷變形導致的鍵合引線坍塌、密封結構損傷等風險[5]。增大蓋板剛度可以有效降低試驗時間，但剛度增大后蓋板形變量反而變大，蓋板凹陷更明顯，對于大尺寸器件顯然不合適。

2.2 最小可檢測等效標準漏率

最小可檢測等效標準漏率是指光學檢漏系統能夠檢測的最小等效標準漏率，對應干涉儀所能探測的蓋板最小形變量或形變變化量，即對應于最小可檢測壓力變化量情況下的等效標準漏率。

與氦質譜檢漏不同的是，光學檢漏系統測量值即為相對氦氣的等效標準漏率。光學檢漏的漏率計算如式（6）[1]：

式中：OLHe為氦氣等效標準漏率，Pa·cm3/s；D為在t時刻蓋板形變的變化量，μm。

計算最小可檢測等效標準漏率時，式（6）中的D等于光學檢漏儀的分辨率R，對應于蓋板的最小可檢測壓力變化量，其值為5 nm。由于光學檢漏儀得出的漏率為氦氣等效標準漏率，換算成等效標準漏率L（空氣）時需要乘上一個系數0.373。由此導出最小可檢測等效標準漏率計算式（7）：

式中：Lmin為最小可檢測等效標準漏率（空氣），Pa·cm3/s。

顯然，式（7）與式（5）是完全吻合的。從式（7）可知，光學檢漏的最小可檢測等效標準漏率與試驗時間成反比關系。這與氦質譜檢漏不同，后者的最小可檢測等效標準漏率取決于檢漏儀本身的靈敏度，與試驗條件無關。與式（5）給出的最小試驗時間不同的是，雖然都對應最小可檢測壓力變化量，但最小試驗時間對應的是最大允許等效標準漏率，即光學檢漏儀檢測出實際漏率正好等于現行標準中等效標準漏率拒收判據的最短加壓時間，這是保證光學檢漏能正常篩選密封不合格器件的基本條件。只有當最小可檢測等效標準漏率小于等于最大允許等效標準漏率，才能確保通過光學檢漏的器件的實際漏率符合現行標準要求，否則，部分實際漏率大于最大允許等效標準漏率的器件將會被漏檢而混入密封合格器件中。當試驗時間明顯超過最小試驗時間時，光學檢漏的最小可檢測等效標準漏率進一步減小，檢漏儀所能檢測的漏率范圍也越大，相當于提高了光學檢漏的靈敏度。這也是光學檢漏的一個優勢。

表2列舉了封裝腔體體積分別為0.005 cm3、0.05 cm3、0.1 cm3、5 cm3和 0.1 cm3時，在 5 min、10 min、20 min試驗時間及不同蓋板剛度下的具體最小可檢測等效標準漏率值。可以看出，對于體積為0.1 cm3的封裝腔體，要求檢漏試驗時間為5 min時，為保證光學檢漏具有氦質譜檢漏相同的靈敏度（即具有相同的等效標準漏率1.00×10-2Pa·cm3/s），則要求蓋板的剛度必須不小于1.22×10-5μm/Pa；若試驗時間為10 min時，要求蓋板剛度不小于6.09×10-6μm/Pa；若試驗時間延長至20 min時，蓋板剛度須大于3.05×10-6μm/Pa。而當封裝腔體體積為0.05 cm3時，對應于試驗時間為5 min、10 min、20 min的蓋板剛度須分別不小于6.09×10-6μm/Pa、3.05×10-6μm/Pa、1.60×10-6μm/Pa。實際光學檢漏應用中某些器件無法正確檢測，究其原因正是由于未根據封裝的具體狀態選擇合適的檢漏條件，導致蓋板的形變狀 態達不到檢漏儀的最小靈敏度要求。

表2 不同試驗時間及不同蓋板剛度下的最小可檢測等效標準漏率Tab.2 The minimum measurable equivalent standard leak rate corresponding to the different test time and the lid stiffness

圖4顯示了封裝腔體體積為0.005 cm3、0.1 cm3及5 cm3時，在試驗時間為5 min、10 min及20 min對應的最小可檢測等效標準漏率與蓋板剛度之間的關系。

圖4 最小可檢測等效標準漏率與蓋板剛度的關系曲線Fig.4 The relationship between the minimum measurable equivalent standard leak rate and the lid stiffness

從圖4可以看出，最小可檢測等效標準漏率Lmin隨蓋板剛度S增大而減小。通過式（7）可以知道，增大加壓壓力pE同樣可以達到降低Lmin的效果。但如前所述，增大加壓壓力或蓋板剛度對大尺寸封裝存在風險，實際檢漏過程中需慎重考慮。

3 結論

光學檢漏中選擇合適的試驗時間可保證系統獲得氦質譜檢漏相同的靈敏度。本文提出最小可檢測壓力變化量、封裝腔體實際壓力變化量、最小可檢測等效標準漏率等概念，并討論了其與試驗時間、蓋板剛度、腔體體積等參數間的相關性：

（1）最小可檢測壓力變化量是光學檢漏探測器件漏率的基本條件，其大小可通過蓋板剛度確定；

（2）選擇最小試驗時間時須保證檢測過程中封裝腔體內的壓力變化量不小于其最小可檢測壓力變化量；

（3）光學檢漏的最小可檢測等效標準漏率與試驗時間相關，試驗時間越長，最小可檢測等效標準漏率越小；封裝腔體體積越大，蓋板剛度越小，相應的最小可檢測等效標準漏率越大；

（4）大尺寸腔體試驗時間明顯加長，因蓋板剛度不宜過大，應用光學檢漏時存在局限性。