密封器件內(nèi)部水汽和氫氣的分析及控制方法

韓星，王永琴，岑政，陳瑤，粟嘉偉，羅俊

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所, 重慶 400060）

引言

電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于航海、航空、航天等特殊領(lǐng)域，面臨高濕、酷暑、極寒、強(qiáng)沖擊和輻射等極端惡劣環(huán)境，這對電子設(shè)備的可靠性提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。集成電路是電子設(shè)備的重要組成部分，為了應(yīng)對嚴(yán)酷的外部環(huán)境，必須對其進(jìn)行密封封裝。密封封裝可有效防止外來物、潮氣、大氣粒子、腐蝕氣體對器件的破壞與侵蝕，達(dá)到限制密封腔體內(nèi)部水汽含量和控制自由粒子種類和濃度的目的，從而延長器件的服役壽命。另外，還可以在密封腔體內(nèi)充入惰性氣體，以降低密封腔體內(nèi)部的雜質(zhì)氣體，從而提高器件的可靠性[1]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，密封器件的初始內(nèi)部氣氛決定了器件是否合格。而這時(shí)的內(nèi)部氣氛與集成電路的微組裝工藝密切相關(guān)，其中清洗、貼片和封帽工序?qū)?nèi)部氛圍影響較大。清洗工序常采用濕法清洗方式，使用無水乙醇和去離子水等清洗溶液結(jié)合超聲波空化作用對工件表面進(jìn)行清洗，這可能導(dǎo)致在電路內(nèi)部殘留有機(jī)溶劑和水汽。小功率芯片裝接的主流工藝是導(dǎo)電膠粘貼，但是導(dǎo)電膠在高溫環(huán)境下，會(huì)發(fā)生固化反應(yīng)，釋放氣體。封帽工藝中使用環(huán)氧粘貼法將蓋板和封裝腔體粘接在一起，在高溫環(huán)境下烘烤一定時(shí)間進(jìn)行固化，在此期間環(huán)氧粘接材料會(huì)釋放多種氣體（水汽、二氧化碳、有機(jī)氣體等），這將直接影響封裝內(nèi)部氛圍。因此，控制微組裝工藝決定了密封器件內(nèi)部氣氛的初始含量與種類。

據(jù)研究發(fā)現(xiàn)[2]，密封電子元器件的內(nèi)部氣氛通常包括水汽、氫氣、氧氣、二氧化碳、氨氣和有機(jī)氣體等，其中，水汽和氫氣對密封器件的性能和壽命具有重要影響。在GJB548 的方法1018 中，明確給出了密封腔體器件內(nèi)部水汽含量的失效判據(jù)，水汽含量大于5 000 ppm的器件應(yīng)判定為不合格[3]。雖然國家軍用標(biāo)準(zhǔn)沒有明確規(guī)定密封器件的氫氣含量，但是已有研究表明氫氣會(huì)導(dǎo)致鈦、鉑和鈀等金屬產(chǎn)生“氫脆”現(xiàn)象，即形成脆性氫化物相，導(dǎo)致金屬材料強(qiáng)度降低[4]。因此，內(nèi)部水汽和氫氣含量應(yīng)作為密封器件考核的關(guān)鍵參數(shù)。

本文從水汽和氫氣的來源，水汽和氫氣對電子器件的影響，以及減少初始密封的水汽和氫氣含量方面進(jìn)行了綜述，并對密封器件的內(nèi)部氛圍控制提供了合理化建議，以為相關(guān)的研究者對集成電路的內(nèi)部氛圍研究提高參考。

1 水汽和氫氣的來源及影響

1.1 水汽和氫氣的來源

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)過程與文獻(xiàn)報(bào)道[5-7]，可發(fā)現(xiàn)內(nèi)部氣氛主要由四方面控制，如圖1 所示。因此，水汽和氫氣的來源也主要從這四方面進(jìn)行考慮。

圖1 元器件內(nèi)部氣氛的來源

為了控制元器件初始內(nèi)部氣氛的種類與含量，封帽倉通常采用純度大于99.9 %的氮?dú)饣蛘?0 %氮?dú)饧?0 %氦氣作為密封環(huán)境，且倉內(nèi)的水汽含量控制在1.0×10-5左右。表1 展示了各種元器件內(nèi)部水汽含量。從表1 可知，對密封環(huán)境的嚴(yán)格控制，可實(shí)現(xiàn)水汽含量不超過5 000 ppm，滿足國家軍用標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，表1 的數(shù)據(jù)也說明密封環(huán)境是元器件內(nèi)部水汽的源頭。

表1 元器件內(nèi)部水汽含量統(tǒng)計(jì)表

器件封裝的氣密性也是影響內(nèi)部氣氛的重要因素，GJB 548 中明確規(guī)定密封器件的氣密性使用漏率進(jìn)行表征，漏率越大，氣密性越差，就越容易與外界環(huán)境產(chǎn)生氣體交換。所有的密封都不是絕對的隔離，在微觀下都存在孔隙。孔隙的存在會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外氣體交換，引起內(nèi)部氣氛發(fā)生變化。在對光電耦合器內(nèi)部氣氛長期貯存變化的研究中，周等[10]發(fā)現(xiàn)即使在初始漏率達(dá)標(biāo)的情況下，隨著密封器件貯存時(shí)間的延長，密封內(nèi)部的水汽含量會(huì)逐漸升高，甚至不滿足標(biāo)準(zhǔn)。尤其是在潮濕環(huán)境下，密封器件放置的時(shí)間越長，內(nèi)部水汽越容易超標(biāo)。

通常認(rèn)為密封器件內(nèi)部腔體的氣體含量及種類是通過漏孔進(jìn)行內(nèi)外氣體交換導(dǎo)致的，但實(shí)際測試結(jié)果表明內(nèi)部氣氛的種類和含量與外部氣氛存在明顯差異。現(xiàn)有的研究結(jié)果已經(jīng)表明器件的封裝材料會(huì)吸附并釋放氣體。吳等[11]以可伐合金材料制作密封樣品，并在其中填充高純氮?dú)猓骄苛饲惑w內(nèi)的水汽和氫氣隨烘烤時(shí)間的變化規(guī)律。通過圖2 可發(fā)現(xiàn)，在125 ℃下烘焙，隨著烘焙時(shí)間的延長，可伐合金內(nèi)部的水汽和氫氣含量都顯著提高。這表明可伐合金封裝材料是釋放的水汽和氫氣的重要來源。在其他研究中[6]也提及到，封裝外殼電鍍過程中會(huì)在金屬鍍層內(nèi)部殘留氫氣，在高溫環(huán)境下，氫氣會(huì)從封裝材料中釋放。另外，氫氣也可能來自于器件內(nèi)部腔體的水汽與內(nèi)部金屬發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物[2]。

圖2 125 ℃烘焙下水汽和氫氣濃度變化統(tǒng)計(jì)圖

元器件內(nèi)部導(dǎo)電膠和環(huán)氧粘接材料的使用，也是水汽來源的途徑之一。若固化不完全，器件后續(xù)的老煉過程，有機(jī)材料還會(huì)繼續(xù)發(fā)生固化交聯(lián)反應(yīng)，釋放水汽[12]。在導(dǎo)電膠固化狀態(tài)對器件內(nèi)部水汽含量的影響研究中，侯等[5]明確提出導(dǎo)電膠固化不完全時(shí)，導(dǎo)電膠的飽和吸水率會(huì)明顯升高。

1.2 水汽和氫氣對器件的影響

內(nèi)部水汽是造成密封器件失效的主要原因之一。水汽含量超標(biāo)會(huì)引起器件絕緣性能下降。水汽吸附在器件表面，形成漏電通道，導(dǎo)致漏電流增大，引起參數(shù)超差。當(dāng)環(huán)境溫度降到內(nèi)部水汽露點(diǎn)以下時(shí)，會(huì)發(fā)生凝露和結(jié)霜現(xiàn)象，引起接觸點(diǎn)接觸不良、漏電流增加和反向擊穿電壓下降[13]。水汽會(huì)腐蝕金屬引線、鍵合點(diǎn)和金屬化基板，導(dǎo)致引線斷裂和脫落、加速鍵合點(diǎn)空洞形成、引發(fā)基板發(fā)生分層效應(yīng)[13,14]。水汽會(huì)使銀、鋁等金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕，在電場作用下，發(fā)生離子遷移，生成金屬晶須，引起絕緣性能變化，甚至短路。應(yīng)用海洋環(huán)境的器件，內(nèi)部氣氛還會(huì)存在Cl-，這將加速金屬腐蝕過程。在一定溫度下，氫氣會(huì)引發(fā)砷化鎵芯片產(chǎn)生“氫中毒”現(xiàn)象，即氫氣在經(jīng)Pt 柵極催化后，以原子態(tài)的氫擴(kuò)散進(jìn)入管芯溝道，引起溝道電性能下降，表現(xiàn)為芯片增益下降、工作電流下降、噪聲系數(shù)上升[4,11]。在輻射環(huán)境下，氫氣的存在還會(huì)加劇位移輻射損傷效應(yīng)，引起器件性能退化。

2 問題及控制方法

密封器件的漏率和內(nèi)部水汽含量滿足GJB 548規(guī)定，可保證密封器件內(nèi)部長期處于低水汽含量狀態(tài)。然而，初期符合軍用標(biāo)準(zhǔn)判據(jù)的合格器件，在長期貯存和使用過程中，內(nèi)部水汽含量普遍超標(biāo)，尤其是在潮濕環(huán)境下，水汽含量超標(biāo)更快。這表明器件的氣密性決定了密封腔體后續(xù)的水汽含量，因此測出器件的實(shí)際氣密性，可剔除氣密性不達(dá)標(biāo)的產(chǎn)品，以防流入用戶手中。于是，王等人[13]對GJB 548 規(guī)定的密封器件漏率公式進(jìn)行了推演，并提出了改進(jìn)意見。加壓法氦質(zhì)譜檢漏的漏率計(jì)算公式是基于內(nèi)外氣氛交換中的分子流模型理論，公式中引入的空氣標(biāo)準(zhǔn)等效漏率概念與分子流模型理論不一致。于是，王等人[15]提出使用真實(shí)的氦氣標(biāo)準(zhǔn)漏率代替虛擬的等效標(biāo)準(zhǔn)漏率。檢漏儀的本底和被測樣品的吸附漏率均可增大測試漏率，需依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對測量漏率進(jìn)行修正，使器件的氣密性更接近真實(shí)值。在水汽來源中，元器件中使用的聚合物環(huán)氧材料不容忽視。使用環(huán)氧粘接材料進(jìn)行密封的器件，在初始階段時(shí)，可通過氣密性測試。由于環(huán)境的變化和時(shí)間的延長，水汽依然可以滲透進(jìn)入內(nèi)部。通常，內(nèi)部氣氛是否合格只關(guān)注水汽含量是否超標(biāo)，其實(shí)有機(jī)清洗過程及環(huán)氧材料固化過程除了產(chǎn)生水汽，也會(huì)導(dǎo)致二氧化碳、有機(jī)氣體（醇類、酮類、碳?xì)浠衔铮┑雀患Ｔ陔婂冞^程中，殘留在封裝材料內(nèi)的氫氣是內(nèi)部氫氣的主要來源，且難易逸出。已有研究表明采用高溫烘焙的方法對氫氣的揮發(fā)速度影響不大[6]。

為從源頭控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品可靠性，中國航天科技集團(tuán)公司七七一研究所提出了過程控制體系（Process Control System，PCS）[16]。PCS 中明確對六個(gè)方面進(jìn)行嚴(yán)格控制與管理，包括物料管理、工藝管理、環(huán)境管理、設(shè)備管理、測試管理和人員管理[17]。因此，為確保器件質(zhì)量與可靠性，基于此六個(gè)方面，提出多種措施控制密封器件內(nèi)部水汽和氫氣含量。在物料控制方面，生產(chǎn)中應(yīng)減少使用會(huì)釋放氫氣的材料，比如鎳鍍層、金鍍層等；使用高質(zhì)量的環(huán)氧材料，減少環(huán)氧材料在固化過程的雜質(zhì)釋放；減少有缺陷的外殼流入產(chǎn)線，比如陶瓷管殼裂紋、玻璃絕緣子裂紋。在工藝控制方面，若使用環(huán)氧材料，應(yīng)探究烘烤溫度、烘烤時(shí)間、環(huán)氧材料放氣含量之間的關(guān)系，確定密封前器件的烘烤工藝，使環(huán)氧材料充分固化，減少密封后的水汽、有機(jī)氣體的釋放[18]。氫氣的主要來源是金屬鍍層管殼和蓋板內(nèi)的氫氣殘留，其揮發(fā)極慢。圖3 展示了高溫與真空相結(jié)合的預(yù)烘培方法使用前后的密封器件內(nèi)部水汽和氫氣含量變化，預(yù)烘培后的密封器件內(nèi)部水汽和氫氣含量均顯著降低。這說明關(guān)等人[6]采用高溫真空預(yù)烘焙法，有利于吸附的水汽和氫氣從封裝材料逸出，可有效解決封裝材料內(nèi)殘留氫氣難以揮發(fā)的難題。在封裝環(huán)境控制方面，使用純度為99.99 %的氮?dú)猓瑴p少水汽、氧氣、二氧化碳等氣體的干擾[19]；在封裝器件前，保證氮?dú)馀艢鈺r(shí)間充裕（大于4 h 才可保證封裝環(huán)境的空氣排干凈），以確保封裝環(huán)境內(nèi)水汽含量低于工藝及標(biāo)準(zhǔn)要求。在設(shè)備方面，封裝設(shè)備進(jìn)行定期檢查、保養(yǎng)、維護(hù)。在測試方面，測試應(yīng)有流程，應(yīng)安排專人負(fù)責(zé)操作，確保測試數(shù)據(jù)的可靠性。在人員方面，應(yīng)持續(xù)提高各過程人員的質(zhì)量意識，不出現(xiàn)違規(guī)操作，嚴(yán)格按照流程與標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

圖3 高溫真空烘焙前后密封器件內(nèi)部水汽和氫氣含量的變化

3 結(jié)論

密封器件內(nèi)部氣氛的種類和含量嚴(yán)重影響器件的性能和可靠性，危及整機(jī)裝備的服役壽命。為了提高器件的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性，就必須保證器件氣密性符合國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，必須控制器件內(nèi)部氣氛含量及種類。尤其是，減小水汽對電路的危害。水汽含量實(shí)現(xiàn)初始控制較為容易，但難在貯存與使用期間對水汽的控制。除了水汽對器件存在危害，氧氣、氫氣、二氧化碳、有機(jī)氣體等都對器件的可靠性存在威脅，比如氧氣與鉛錫焊料發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)度下降；氫氣與氧氣發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致水汽含量增高；二氧化碳與水汽反應(yīng)形成弱酸，對器件造成腐蝕。因此，對內(nèi)部氛圍檢測應(yīng)包含氧氣、氫氣和二氧化碳，并對含量進(jìn)行明確規(guī)定。對于宇航用、軍用器件，更應(yīng)該從原材料、工藝、環(huán)境、設(shè)備、測試、人員等方面進(jìn)行嚴(yán)格管理，實(shí)現(xiàn)全過程控制，進(jìn)而保證器件長期貯存和使用的質(zhì)量可靠性。