王庚林，李寧博，李 飛，劉永敏

(北京市科通電子繼電器總廠有限公司，北京 100041)

0 引 言

密封電子元器件在生產(chǎn)至使用的全過程中，要經(jīng)受多次密封性檢測。若超出密封后的最長候檢時(shí)間，則應(yīng)采用一次或多次壓氦的預(yù)充氦壓氦法，進(jìn)行密封性檢測。

國內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1～3]規(guī)定，再次和多次采用壓氦法細(xì)檢漏時(shí)，不管相鄰兩次檢測之間間隔時(shí)間多長，均采用與單次壓氦相同的壓力與時(shí)長，多采用1小時(shí)(標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[1]對(duì)不同內(nèi)腔容積采用0.5小時(shí)或1小時(shí))的最長候檢時(shí)間，均采用相同的測量漏率判據(jù)。這對(duì)多次壓氦法，n次檢測的判據(jù)可能加嚴(yán)n倍；對(duì)預(yù)充氦壓氦法，檢測的判據(jù)可能加嚴(yán)幾倍到幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而且還可能出現(xiàn)接近粗漏的大漏的漏檢和細(xì)漏的錯(cuò)判。

在我國的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4]中，曾提出先細(xì)檢漏，壓氦后再細(xì)檢漏，以后一次漏率的增加值為測量漏率。這種二次檢測方法有一定的可行性，但會(huì)加大測試的偏差，而且喪失了多次壓氦，特別是預(yù)充氦所形成的高靈敏檢測特性。

薛大同等先生經(jīng)過深入研究和持續(xù)的改進(jìn)[5～7]，提出了新的二次檢測方法。該方法主要通過多因素比較前一次細(xì)漏檢測和壓氦后二次細(xì)漏檢測的候檢時(shí)長和測量漏率，從而判斷樣品密封性是否合格。但前后進(jìn)行兩次細(xì)漏檢測，加大了檢測的工作量，并且判定的過程相當(dāng)復(fù)雜，不利于實(shí)施和操作。

本研究在以嚴(yán)密等級(jí)τHemin為基本判據(jù)[8]的基礎(chǔ)上，通過分析研究多次壓氦或預(yù)充氦后再壓氦對(duì)測量漏率的影響，確定再次壓氦的時(shí)長，采用一次壓氦細(xì)檢漏檢測的方法，準(zhǔn)確地確定最長候檢時(shí)間，給出細(xì)漏檢測的測量漏率判據(jù)，使密封性是否合格的判定更便捷。

1 多次壓氦法的內(nèi)部氦氣分氣壓和測量漏率公式

密封件初次壓氦后經(jīng)一定時(shí)間間隔至再次壓氦前的內(nèi)部氦氣分壓為

(1)

式中，PE.1和t1.1為初次壓氦的壓力和時(shí)間；t2.1為初次壓氦至二次壓氦的時(shí)間；PHe0為空氣中氦氣分氣壓，PHe0=0.533 ppm；τHe為被檢件的氦氣交換時(shí)間常數(shù)。

若此時(shí)細(xì)檢漏，則測量漏率為

(2)

經(jīng)再次壓氦候檢，細(xì)檢漏時(shí)的內(nèi)部氦分壓為

(3)

式中，PE.2和t1.2為二次壓氦的壓力和時(shí)間；t2.2為二次壓氦后的候檢時(shí)間。

此時(shí)，二次壓氦后細(xì)檢漏的測量漏率為

(4)

忽略PHe0，考慮每次壓入的氦的積累作用，經(jīng)n次壓氦和候檢，氦質(zhì)譜細(xì)檢漏時(shí)的測量漏率R11.n為

(5)

式中，PE.i和t1.i為i次壓氦的壓力和時(shí)間；t2.in為第i次壓氦結(jié)束至n次壓氦結(jié)束的時(shí)間；t2.n為n次壓氦后的候檢時(shí)間。當(dāng)t2.in大于5τHemin時(shí)，可以忽略第i次及之前壓氦的作用。

當(dāng)τHe為嚴(yán)密等級(jí)τHemin時(shí)，式(2)的R1即為初次壓氦和候檢后細(xì)檢漏的測量漏率判據(jù)R1max；式(4)的R11.2即為二次壓氦和候檢后細(xì)檢漏的測量漏率判據(jù)R11.2max；式(5)中的R11.n即為n次壓氦和候檢后細(xì)檢漏的測量漏率判據(jù)R11.n.max。

2 多次壓氦法的壓氦條件和細(xì)漏檢測最長候檢時(shí)間

2.1 壓氦條件和最長候檢時(shí)間的問題

依據(jù)式(1)～式(4)做出二次壓氦法R11.2(R1)～τHe典型關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 多次壓氦法典型R11 (R1)～τHe關(guān)系曲線族

其中二次壓氦后的最長候檢時(shí)間t2.2max采用參考文獻(xiàn)[8]中的t2max式(8a)進(jìn)行計(jì)算。

由圖1曲線4可見，當(dāng)再次壓氦時(shí)長大于一定值、最長候檢時(shí)間按單次壓氦取值時(shí)，在τHemin附近，R11.2～τHe曲線呈遞減趨勢，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判；但對(duì)圖中AB間大于且接近τHe0的大漏，會(huì)出現(xiàn)漏檢。從曲線7可見，當(dāng)再次壓氦時(shí)長不足時(shí)，不僅會(huì)出現(xiàn)CD間大漏的漏檢，在τHemin附近，R11.2～τHe曲線會(huì)出現(xiàn)波折，EF間的細(xì)漏會(huì)錯(cuò)判為合格，F(xiàn)G間的細(xì)漏會(huì)錯(cuò)判為不合格。錯(cuò)判和漏檢，都是密封性檢測所不能允許的，應(yīng)當(dāng)尋求解決的辦法。

2.2 壓氦時(shí)長的確定

依據(jù)式(5)、經(jīng)相似圖1的擬合作圖證明，后面“2.4”還將驗(yàn)證，取壓氦時(shí)長t1.i為

(6.1)

式中，PE.i-1和t1.i-1為前一次壓氦的壓力和時(shí)間。

當(dāng)忽略PHe0時(shí)，可保證i次壓氦后，只要候檢時(shí)間t2i不大于由后面式(9.2)給出的t2i.max，測量漏率R11.i～τHe曲線在τHe≥τHe0、τHe<τHemin的范圍呈單峰狀，并在τHemin的一側(cè)，當(dāng)τHe增加時(shí)，可實(shí)現(xiàn)R11.i的遞減，從而避免細(xì)漏的錯(cuò)判。

工程實(shí)施中為了簡便和保險(xiǎn)，除非t1.i-1很長，一般取

(6.2)

2.3 最長候檢時(shí)間的確定

經(jīng)n次壓氦后，τHe=τHe0被檢件的內(nèi)部氦氣分氣壓為

(7)

τHe=τHemin被檢件內(nèi)部氦氣分氣壓為

(8)

設(shè)被檢件的最長候檢時(shí)間為t2n.max，則τHe=τHe0時(shí)的測量漏率R11.n和τHe=τHemin時(shí)的測量漏率判據(jù)R11.n.max應(yīng)相等，即

由此可得最長候檢時(shí)間t2n.max為

(9.1)

采用t2n.max，可以避免大于且接近τHe0的大漏的漏檢。

以二次壓氦法為例，依據(jù)式(7)和式(8)，比較PHe.12.0和PHe.12.m的大小，如圖2所示。其中曲線1的t1.2依據(jù)式(6.1)取值，曲線2的t1.2依據(jù)式(6.2)取值。

圖2 氦氣分壓PHe.12.0、PHe.12.m～τHe關(guān)系曲線

從圖2可見，PHe.12.0始終大于PHe.12.m，即式(9.1)中的ln(PHe.1n.0/PHe.1n.m)始終大于零。為了簡便和保險(xiǎn)，可取

(9.2)

即t2n.max可按參考文獻(xiàn)[8]中預(yù)充氦法最長候檢時(shí)間t3max式(9a)取值。

2.4 驗(yàn)證

采用作圖法進(jìn)行公式驗(yàn)證，單次壓氦法測量漏率R1依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]公式(3)和本文式(1)、(2)，多次壓氦法測量漏率R11.2依據(jù)式(3)、(4)和(5)確定的典型R11.2(R1)～τHe關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 多次壓氦法典型R11.2(R1)～τHe關(guān)系曲線

由圖3曲線可驗(yàn)證：對(duì)二次或多次壓氦法氦質(zhì)譜細(xì)檢漏，只要各次壓氦時(shí)長按式(6.1)或(6.2)，壓氦后最長候檢時(shí)間t2n.max按式(7)、(8)和(9.1)或按(9.2)，測量漏率判據(jù)按式(1)～(4)或(5)，并與粗檢漏相結(jié)合，可進(jìn)行τHemin的判定性檢測，不會(huì)發(fā)生接近粗漏的大漏的漏檢和細(xì)漏的錯(cuò)判；同時(shí)，對(duì)正確確定細(xì)檢漏的測量漏率判據(jù)，忽略PHe0的式(5)適用。當(dāng)粗檢漏通過，細(xì)檢漏R11.n

從圖3還可見，對(duì)首次壓氦后再進(jìn)行i次壓氦，若壓氦壓力、時(shí)間相等且間隔時(shí)間t2.1i<2τHemin，則測量漏率判據(jù)與單次壓氦相比，會(huì)接近i倍。

3 預(yù)充氦壓氦法的內(nèi)部氦氣分氣壓和測量漏率公式

當(dāng)元器件密封時(shí)預(yù)充氦，首次檢測采用氦質(zhì)譜細(xì)檢漏，之后壓氦再檢測或超出最長候檢時(shí)間時(shí)壓氦再檢測，密封后經(jīng)時(shí)間間隔t3.01至壓氦前的內(nèi)部氦氣分壓為

(10)

式中，k為預(yù)充氦比，即預(yù)充氣體中氦氣分壓與P0之比。

若此時(shí)細(xì)檢漏，則測量漏率為

(11)

經(jīng)壓氦候檢，細(xì)檢漏時(shí)的內(nèi)部氦分壓為

(12)

式中，PE.1和t1.1為壓氦壓力和時(shí)間；t2.1為壓氦后候檢時(shí)間。

此時(shí)，測量漏率為

(13)

忽略空氣中的氦氣分氣壓PHe0，則R21.1可簡化為

(14)

依此類推，可以得到預(yù)充氦再經(jīng)n次壓氦后，氦質(zhì)譜細(xì)檢漏的測量漏率R21.n為

(15)

式中：t2.n為n次壓氦后的候檢時(shí)間；t3.0n為預(yù)充氦密封結(jié)束至n次壓氦結(jié)束的間隔時(shí)間；t2.in為i次壓氦結(jié)束至n次壓氦結(jié)束的間隔時(shí)間。

當(dāng)τHe等于嚴(yán)密等級(jí)τHemin時(shí)，式(11)～(15)中的R2、R21.1或R21.n即為測量漏率判據(jù)R2max、R21.1.max或R21.n.max。

4 預(yù)充氦壓氦法的壓氦條件和細(xì)漏檢測最長候檢時(shí)間

4.1 壓氦條件和最長候檢時(shí)間的問題

按式(10)～(13)繪制預(yù)充氦后壓氦的R21.1(R2)～τHe關(guān)系曲線，如圖4所示，其中預(yù)充氦后的最長候檢時(shí)間t3max依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]式(9a)計(jì)算。 壓氦后的最長候檢時(shí)間t21.max仍依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]t2max式(8a)進(jìn)行計(jì)算。

圖4 預(yù)充氦壓氦法R21.1(R2)～τHe典型關(guān)系曲線族

由圖4中曲線4可見，當(dāng)壓氦時(shí)長大于一定值、最長候檢時(shí)間按單次壓氦取值時(shí)，在τHemin附近R21.1～τHe曲線呈遞減，不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)判；但對(duì)于圖中AB段大于且接近τHe0的大漏，會(huì)出現(xiàn)漏檢。從圖4中曲線7可見，當(dāng)壓氦時(shí)長不足時(shí)，在τHemin附近，R21.1～τHe曲線會(huì)出現(xiàn)波折，以R21.1max為判據(jù)，CD間的細(xì)漏會(huì)錯(cuò)判為合格，DE間的細(xì)漏會(huì)錯(cuò)判為不合格。錯(cuò)判和漏檢，都是密封性檢測所不能允許的，應(yīng)當(dāng)尋求解決的辦法。

4.2 壓氦時(shí)長的確定

依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，忽略PHe0，當(dāng)t3=τHe時(shí)，τHe處的R2處于峰值為R2.M，

可得

從而有

(16.1)

式中，PE.i為i次壓氦壓力；t3.0i為預(yù)充氦密封結(jié)束至i次壓氦結(jié)束的間隔時(shí)間。

當(dāng)忽略PHe0時(shí)，可保證i次壓氦后，只要候檢時(shí)間t2i不大于由后面式(19.2)給出的t2i.max，測量漏率R21.i～τHe曲線在τHe≥τHe0、τHe<τHemin的范圍呈單峰狀，并且在τHemin的一側(cè)，當(dāng)τHe增加時(shí)，可實(shí)現(xiàn)R21.i的遞減，從而避免細(xì)漏的錯(cuò)判。

工程實(shí)施中為了簡便和保險(xiǎn)，也為確定最長候檢時(shí)間，應(yīng)?。?/p>

t1.i≥1.2 h

(16.2)

4.3 最長候檢時(shí)間的確定

忽略PHe0，預(yù)充氦經(jīng)n次壓氦后，τHe=τHe0時(shí)被檢件的內(nèi)部氦氣壓力為

(17)

τHe=τHemin時(shí)被檢件的內(nèi)部氦氣壓力為

(18)

設(shè)預(yù)充氦后再經(jīng)歷n次壓氦，被檢件最長候檢時(shí)間為t2n.max，則τHe=τHe0時(shí)的測量漏率R21.n和τHe=τHemin時(shí)的測量漏率判據(jù)R21.n.max應(yīng)相等，即

由此可得最長候檢時(shí)間t2n.max為

(19.1)

采用此t2n.max，則可以避免大于且接近τHe0的大漏τHe的漏檢。

依據(jù)式(17)、(18)，以式(16.1)和(16.2)為t1.i條件，做出預(yù)充氦一次壓氦后的PHe.21.0～τHe及PHe.21.m～τHe關(guān)系曲線，如圖5所示。其中曲線1按式(16.1)，曲線2按式(16.2)。

圖5 氦氣分壓PHe.21.0、PHe.21.m～τHe關(guān)系曲線

從圖5可見，t1.i采用聯(lián)立式(16.1)和(16.2)的條件，PHe.21.0始終大于PHe.21.m，式(19.1)中的ln(PHe.2n.0/PHe.2n.m)始終大于零。為了簡便和保險(xiǎn)，同樣可取

(19.2)

此式(19.2)同式(9.2)，即t2n.max可按參考文獻(xiàn)[8]中預(yù)充氦法最長候檢時(shí)間t3max式(9a)取值。

4.4 驗(yàn) 證

依據(jù)前面分析，預(yù)充氦法測量漏率R2依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]式(6)和本文式(10)、(11)，預(yù)充氦壓氦法測量漏率R21.n依據(jù)本文式(12)、(13)和(14)確定的R21.1(R2)～τHe典型關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 預(yù)充氦壓氦法R21.1(R2)～τHe典型關(guān)系曲線族

圖6已相對(duì)全面的驗(yàn)證，對(duì)預(yù)充氦壓氦法氦質(zhì)譜細(xì)檢漏，預(yù)充氦密封后經(jīng)不同的間隔時(shí)間t3.0i再壓氦，壓氦時(shí)長t1.i按聯(lián)立式(16.1)(16.2)，壓氦后最長候檢時(shí)間t2n.max按式(17)、(18)和(19.1)或按式(19.2)，測量漏率判據(jù)按式(10)～(13)或(14)(15)，并與粗檢漏相結(jié)合，可進(jìn)行τHemin的判定性檢測，不會(huì)發(fā)生錯(cuò)判和漏檢；同時(shí)對(duì)正確確定細(xì)檢漏的測量漏率判據(jù)，忽略PHe0的式(14)、(15)適用。當(dāng)粗檢漏通過，細(xì)檢漏R21.n

由圖6還可見，預(yù)充氦后再壓氦，當(dāng)間隔時(shí)間t3.0i小于τHemin時(shí)，在τHemin處，預(yù)充氦經(jīng)衰減的氦分壓一般遠(yuǎn)高于壓氦壓入的氦分壓，所以判據(jù)R21.nmax可能會(huì)比僅壓氦的判據(jù)R1max高出幾倍甚至幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

5 結(jié) 語

通過對(duì)多次壓氦法及預(yù)充氦壓氦法的分析研究，采取理論推演和曲線擬合相結(jié)合的方法，給出了再次或多次壓氦的壓氦時(shí)長條件，既可保證τHe≥τHe0時(shí)測量漏率R～τHe曲線呈單峰值，并在τHemin一側(cè)單向遞減，又可保證壓氦后τHe0被檢件的內(nèi)部氦氣分氣壓不低于τHemin被檢件，使最長候檢時(shí)間式(9.2)(19.2)適用，既可避免細(xì)漏的錯(cuò)判，又可避免大漏的漏檢，從而提出了正確確定壓氦時(shí)長、細(xì)漏檢測最長候檢時(shí)間和測量漏率判據(jù)的方法。只要能保存或獲取被檢件以往的檢漏歷史數(shù)據(jù)，如密封日期和時(shí)間、預(yù)充氦比k、各次壓氦檢漏的日期和時(shí)間、壓氦的壓力和時(shí)長，便可采用本項(xiàng)研究的成果，一次壓氦和細(xì)漏檢測，并加粗檢漏，更為便捷準(zhǔn)確地進(jìn)行密封電子元器件密封性是否合格的判定。目前，此研究成果已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利“一種多次壓氦和預(yù)充氦壓氦的氦質(zhì)譜細(xì)檢漏方法”，并已獲中國國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局受理，申請(qǐng)(專利)號(hào)是201310161154.4，敬請(qǐng)相關(guān)專家和科技工作者予以關(guān)注、推敲、指正和應(yīng)用。

對(duì)本文氦氣分氣壓和測量漏率式的推演，工信部電子四所安琪先生曾提出過正確的改進(jìn)建議，在此表示衷心的感謝。

[1] MIL-STD-750-1 Department of Defense Test Method Standard Test Methods for Semiconductor Devices Method 1071.9 Hermetic Seal[S].2010.

[2] MIL-STD-883J Second Draft Department of Defense Test Method Standard Microcircuits Method 1014.14 Seal[S].2012.

[3] GJB548B-2005 微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].

[4] QJ3212-2005 氦質(zhì)譜背壓檢漏法[S].

[5] 薛大同.氦質(zhì)譜檢漏儀背壓檢漏標(biāo)準(zhǔn)剖析及非標(biāo)準(zhǔn)漏率計(jì)算程序[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào).2005(12)：20-26.

[6] 薛大同,肖祥正,李慧娟,等.氦質(zhì)譜背壓檢漏方法研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào).2011(1)：105-109.

[7] 薛大同，肖祥正，王庚林.密封器件壓氦和預(yù)充氦細(xì)檢漏判定漏率合格的條件[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào).2013(8):735-743.

[8] 王庚林,李飛,王彩義,等.氦質(zhì)譜細(xì)檢漏的基本判據(jù)和最長候檢時(shí)間[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào).2013，8(2)：213-219.