極低水汽封裝器件的內(nèi)部水汽含量測(cè)試

遲雷，馬春利，桂明洋

（1.中國電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所,石家莊 050051；2.國家半導(dǎo)體器件質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心,石家莊 050051；3.河北諾亞人力資源發(fā)展集團(tuán)有限公司金石分公司,石家莊 050000）

引言

內(nèi)部水汽含量是密封電子元器件的一項(xiàng)重要可靠性指標(biāo)，傳統(tǒng)的合格性判據(jù)一般為5 000 ppm，這個(gè)判據(jù)相對(duì)寬松。由于大氣中水汽含量較高，而任何產(chǎn)品的漏率都不可能完全為0，水汽含量會(huì)在產(chǎn)品貯存和工作過程中緩慢上升，進(jìn)而使某些敏感指標(biāo)發(fā)生偏離，降低這類產(chǎn)品的出廠水汽含量對(duì)提高其長期可靠性的意義是顯而易見的。國外先進(jìn)產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量基本能保持在500 ppm以下[1]，滿足該指標(biāo)也被視為確保器件不會(huì)因水汽失效的最穩(wěn)妥辦法[2]。隨著國內(nèi)電子元器件封裝工藝的不斷發(fā)展，許多廠家都不再滿足目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)，開始革新工藝以進(jìn)一步降低產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量，部分領(lǐng)先產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量也已經(jīng)達(dá)到500 ppm以下的水平，如中電科24所[3,4]、遼陽宏宇晶體有限公司[5]、中電科38所[6]、中電科47所[7]都先后報(bào)道過此類產(chǎn)品的封裝技術(shù)，目前也將這類500 ppm以下內(nèi)部水汽含量的產(chǎn)品封裝稱為極低水汽封裝。

極低水汽封裝給水汽含量測(cè)試技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)測(cè)試手段在應(yīng)用于極低水汽封裝時(shí)測(cè)試誤差較大，不能滿足驗(yàn)證新工藝新指標(biāo)的要求。小體積和低含量一直是內(nèi)部水汽含量測(cè)試的兩個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)，中電科24所譚驍洪等先后研究了測(cè)試結(jié)果的影響因素（14）、小腔體試驗(yàn)夾具優(yōu)化（41）等內(nèi)容，比較全面地討論了提高精度所需要的試驗(yàn)條件和夾具設(shè)計(jì)原則，但未涉及測(cè)試精度的定量評(píng)估及量值溯源。本文綜合討論現(xiàn)有技術(shù)，給出一種簡便可行的量值溯源方案，以完善極低水汽含量測(cè)試的校準(zhǔn)。

1 水汽含量測(cè)試基礎(chǔ)

1.1 質(zhì)譜分析法

雖然國軍標(biāo)中規(guī)定了三個(gè)不同的水汽含量測(cè)試程序，但出于精度和效率的實(shí)際情況，國內(nèi)半導(dǎo)體檢測(cè)機(jī)構(gòu)的內(nèi)部水汽含量測(cè)試基本全部使用其程序1規(guī)定的質(zhì)譜分析法。其工作原理是利用破損裝置刺穿樣品，將器件內(nèi)部氣體抽入真空腔內(nèi)，通過電極對(duì)氣體進(jìn)行離子化，利用離子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)特性按質(zhì)荷比分開，形成質(zhì)譜，從而得到相關(guān)氣體的組成和體積百分含量，其中也包括水汽含量。

相關(guān)的商用測(cè)試儀器為內(nèi)部氣氛分析儀，其中的核心部分為質(zhì)譜儀，又分為四極質(zhì)譜儀和時(shí)間飛行質(zhì)譜儀，目前國內(nèi)僅有四極質(zhì)譜儀，時(shí)間飛行質(zhì)譜儀尚不掌握。本文基于四極質(zhì)譜儀開展研究，研究內(nèi)容主要為校準(zhǔn)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，可以向精度更高的時(shí)間飛行質(zhì)譜儀進(jìn)行推廣。

1.2 5 000 ppm水汽含量校準(zhǔn)技術(shù)

校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體為已知濃度的目標(biāo)氣體與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，各種內(nèi)部氣氛大多采用預(yù)先制備的高壓混合氣體進(jìn)行校準(zhǔn)，并可通過氣體含量計(jì)量溯源，這些高壓氣體壓強(qiáng)可達(dá)10個(gè)大氣壓以上，并在常溫下貯存和使用。內(nèi)部水汽含量與其他氣氛的校準(zhǔn)方式有很大不同，這與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合格判據(jù)有關(guān)，水汽含量的合格判據(jù)為5 000 ppm，常壓下該水汽含量即可在（-5~0）℃發(fā)生凝露，或在常溫和5個(gè)大氣壓下發(fā)生凝露，這使水汽不便于像氫氣、氧氣、甲烷等氣體一樣制備標(biāo)準(zhǔn)含量的高壓混合氣體，否則一旦發(fā)生凝露難以確定出口氣體的水汽含量。

水汽含量校準(zhǔn)使用的標(biāo)準(zhǔn)混合氣體一般采用內(nèi)部分析儀自帶的專用的水汽發(fā)生器實(shí)時(shí)制備，氣源為純氮?dú)猓谜舭l(fā)器與水汽混合，再通過露點(diǎn)儀測(cè)定混合氣體的水汽含量。

1.3 傳統(tǒng)方法的局限性

按照現(xiàn)行國軍標(biāo)要求，現(xiàn)有質(zhì)譜分析法精度在水汽含量5 000 ppm水平下滿足±10 %，即±500 ppm，該絕對(duì)誤差值已經(jīng)與極低水汽封裝的水汽含量上限相當(dāng)，現(xiàn)有設(shè)備主要為滿足該水平的測(cè)試需求設(shè)計(jì)。這在水汽校準(zhǔn)設(shè)備上的表現(xiàn)為，設(shè)備自帶水汽發(fā)生器制備氣體的水汽含量范圍無法覆蓋到5 000 ppm以下，同時(shí)制備的5 000 ppm水汽混合氣體的穩(wěn)定性也在幾百ppm的水平。即使露點(diǎn)儀的精度能滿足需求，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)氣體的水汽含量高、穩(wěn)定性不足，也無法完成500 ppm水平的水汽含量校準(zhǔn)。

2 500 ppm水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備

獲取極低水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體是實(shí)施極低水汽含量校準(zhǔn)的關(guān)鍵，目前500 ppm水平的極低水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備主要有三個(gè)技術(shù)方案。

2.1 干濕混合法

干濕混合法是對(duì)原水汽發(fā)生器實(shí)施改進(jìn)，將水汽發(fā)生裝置由蒸發(fā)器改為水汽飽和器，提高水汽含量的控制精度，再通過濕路與干路的配合，將飽和濕蒸汽與高純氮?dú)饣旌希档退浚枰謩e采用溫度、壓力探頭和流量計(jì)檢測(cè)濕路、干路的溫度、壓強(qiáng)和流量，最終制備的氣體仍通過露點(diǎn)儀測(cè)試水汽含量。該方案將水汽含量降低到500 ppm以下，且提高了水汽含量的控制精度，理論上幾乎可以制備常用范圍內(nèi)任意濃度的水汽混合氣體，但實(shí)施成本較高，且裝置自身的誤差來源較多，要在低濃度下保證出口氣體的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)加工方面有較高技術(shù)難度。

2.2 化學(xué)反應(yīng)法

化學(xué)反應(yīng)法采用氫氧化學(xué)反應(yīng)制備水汽混合氣體。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)含量的氫氣-氮?dú)饣蜓鯕?氮?dú)饣旌蠚怏w易于儲(chǔ)存和制備，并便于計(jì)量溯源，可以利用氫氣與氧氣在鉑催化劑作用下發(fā)生非可逆化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)制備水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體。其中最主要的技術(shù)是將原有的單腔體校準(zhǔn)器改為可以分別容納氫氣和氧氣的雙腔體校準(zhǔn)器，并在其中一個(gè)腔體中置入鉑催化劑。因?yàn)榭諝庵泻醒鯕猓虼搜b置中宜先通入氧氣再通入氫氣，為提高反應(yīng)速率，以其中一種混合氣體定標(biāo)，并使另一種過量。該方案簡單易實(shí)施，但分別需要?dú)錃鈽?biāo)準(zhǔn)氣體和氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體，校準(zhǔn)程序較為繁瑣。

2.3 配氣貯存法

配氣貯存法采用與其他氣氛類似的預(yù)先制備的高壓混合氣體的方式進(jìn)行。配氣方式可以采用各種靜態(tài)或動(dòng)態(tài)配氣法，其中最簡單的如可以使用注射器配氣法，在高純氮?dú)庵谢烊胍欢康囊簯B(tài)水，水即氣化并與氮?dú)饣旌希ㄟ^露點(diǎn)儀測(cè)試露點(diǎn)即可標(biāo)定出標(biāo)準(zhǔn)的水汽含量。該方式利用了水汽露點(diǎn)隨濃度變化的特性，因?yàn)橹苽涞幕旌蠚怏w要通過高壓氣罐貯存和使用，僅可制備極低水汽含量的混合氣體，而不能制備較高濃度的水汽混合氣體，如500 ppm的水汽混合氣體可在10個(gè)大氣壓下保持露點(diǎn)在0 ℃以下，從而能保證在常溫下使用中不會(huì)發(fā)生凝露。

在以上方法中，以配氣貯存法最為簡便可靠，本文采用配氣貯存法實(shí)施500 ppm水平的水汽含量校準(zhǔn)。

3 500 ppm水汽含量校準(zhǔn)與測(cè)試

獲取極低水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體后，標(biāo)準(zhǔn)化的校準(zhǔn)流程是否適用于極低水汽含量的校準(zhǔn)仍需要進(jìn)行驗(yàn)證，部分測(cè)試條件也需要進(jìn)一步規(guī)范以適應(yīng)極低水汽封裝測(cè)試的高精度需求，需開展實(shí)際校準(zhǔn)和測(cè)試，分析結(jié)果。

水汽含量校準(zhǔn)測(cè)試過程中需要控制的條件主要有校準(zhǔn)器溫度、背景壓強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)氣體出口流速。這些條件在所有校準(zhǔn)和測(cè)試過程中都保持盡可能穩(wěn)定以降低誤差。

3.1 校準(zhǔn)結(jié)果

使用的水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度為514 ppm（±2 %），校準(zhǔn)過程共進(jìn)行了10次，預(yù)先置入一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)的校準(zhǔn)修正量，校準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。

表1 500 ppm水汽含量校準(zhǔn)結(jié)果（單位：ppm）

3.2 不同校準(zhǔn)次數(shù)比對(duì)

傳統(tǒng)上水汽含量校準(zhǔn)選擇3次連續(xù)測(cè)試結(jié)果，取其平均值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行倍率修正，根據(jù)以上結(jié)果分析極低水汽測(cè)試是否需要更多校準(zhǔn)次數(shù)。現(xiàn)分別將每2次、3次、4次、5次連續(xù)校準(zhǔn)結(jié)果取平均值，統(tǒng)計(jì)其平均值的方差和極差

如表2所示，多次測(cè)量取平均值的方式確實(shí)可以有效降低校準(zhǔn)偏差，使校準(zhǔn)結(jié)果趨于集中。隨著校準(zhǔn)次數(shù)增加，標(biāo)準(zhǔn)差和極差都呈下降趨勢(shì)，2次校準(zhǔn)以上取平均值的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差都在10 ppm以下，但受偶然因素影響，并不嚴(yán)格單調(diào)遞減。從目前的結(jié)果看，實(shí)際校準(zhǔn)中采用3次校準(zhǔn)即可，與5 000 ppm水平的校準(zhǔn)原則無明顯差別。按照上述結(jié)果估計(jì)，并考慮標(biāo)準(zhǔn)氣體本身的精度，目前上述方案在500 ppm水平下的校準(zhǔn)精度已能達(dá)到±20 ppm左右。

表2 不同校準(zhǔn)次數(shù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)（單位：ppm）

圖1 一種化學(xué)反應(yīng)法制備水汽標(biāo)氣的裝置原理圖

3.3 實(shí)際樣品測(cè)試

選用典型的極低水汽封裝產(chǎn)品10只，高溫貯存16小時(shí)后測(cè)試，重新進(jìn)行3次校準(zhǔn)后根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果代入新的修正系數(shù)，再額外使用校準(zhǔn)器執(zhí)行測(cè)試程序驗(yàn)證1次，本次校準(zhǔn)結(jié)果非常穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)際樣品的測(cè)試，校準(zhǔn)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 極低水汽封裝校準(zhǔn)與測(cè)試結(jié)果（單位：ppm）

測(cè)得的產(chǎn)品指標(biāo)分布在（103~317）ppm范圍內(nèi)，均低于500 ppm的水汽含量設(shè)計(jì)指標(biāo)，由此結(jié)果可知，本文校準(zhǔn)和測(cè)試程序可以完成500 ppm以下極低水汽封裝產(chǎn)品的指標(biāo)驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了現(xiàn)有的基于質(zhì)譜分析法的水汽含量校準(zhǔn)和測(cè)試方法，分析了應(yīng)用于極低水汽測(cè)試時(shí)的局限性。介紹了目前主流的三種500 ppm極低水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體的制備方法，包括干濕混合法、化學(xué)反應(yīng)法和配氣貯存法，比較了其優(yōu)劣勢(shì)。采用配氣貯存法提供500 ppm水汽標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)內(nèi)部氣氛分析儀，比較了2~5次不同校準(zhǔn)次數(shù)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果離散性的影響。結(jié)果表明原水汽含量5 000 ppm水平下，3次校準(zhǔn)取平均值的方式仍然適用于500 ppm極低水汽，最終選取典型產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)樣測(cè)試，得到的水汽含量為（103~317）ppm，滿足低于500 ppm水汽含量的產(chǎn)品測(cè)試需求。