杜勝杰，徐立立，李煥，趙可淪，張明，明志茂

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510656）

0 引言

電子元器件的可靠性評(píng)價(jià)是指對(duì)電子元器件產(chǎn)品、半成品以及模擬樣片等，通過(guò)可靠性試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)和快速評(píng)價(jià)技術(shù)等方法，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具和有關(guān)模擬仿真軟件來(lái)評(píng)定其壽命、失效率或可靠性質(zhì)量等級(jí)。同時(shí)，利用可靠性篩選技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)產(chǎn)品是否合格，剔除早期失效的不合格品。隨著電子元器件可靠性的要求不斷提高，電子元器件向超微型化、高集成化、多功能化方向迅猛發(fā)展，對(duì)器件的可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)日益為人們所關(guān)注。元器件的封裝氣密性成為人們逐漸關(guān)注的重點(diǎn)。

微電子器件從密封方面分為氣密封裝和非密封裝，高等級(jí)集成電路和半導(dǎo)體分立器件通常采用氣密封裝，多采用金屬、陶瓷、玻璃封裝，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，充有高純氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w。工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)器件通常采用塑封工藝，沒(méi)有空腔，芯片是被聚合材料整個(gè)包裹住，屬于非氣密封裝。有研究表明，氣密封裝元器件可靠性要比非氣密封裝高出很多[1]。

考核產(chǎn)品氣密性的主要方式是通過(guò)檢漏和檢測(cè)器件內(nèi)部水汽含量。元器件檢漏，通常在篩選階段，通過(guò)粗檢漏和細(xì)檢漏可以剔除不合格樣件。作為破壞性物理分析技術(shù)的必檢項(xiàng)目，氣密性元器件的內(nèi)部氣體分析是確定產(chǎn)品制造工藝的穩(wěn)健性和產(chǎn)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 內(nèi)部水汽含量對(duì)元器件可靠性的影響

隨著對(duì)元器件的可靠性水平要求不斷提高，人們對(duì)影響器件可靠性的因素做了大量的研究。研究表明，封裝內(nèi)部水汽，對(duì)密封電子元器件的性能、壽命和可靠性均有危害性影響。

通常氣密封裝元器件可靠性要比非氣密封裝高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，氣密封裝元器件一般按軍標(biāo)、宇航標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試、檢驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，失效率低，多用于高可靠應(yīng)用領(lǐng)域。

非密封器件，多用于環(huán)境條件較好，可靠性要求不太高的民用電子產(chǎn)品上。氣密封裝器件散熱性好，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)，軍品和宇航級(jí)元器件額定工作環(huán)境溫度能達(dá)到-55～125℃。而塑封非氣密封裝器件大部分商業(yè)級(jí)額定工作環(huán)境溫度為0～70℃，工業(yè)級(jí)額定工作環(huán)境溫度為-40～85℃，散熱性較差。

國(guó)內(nèi)對(duì)元器件內(nèi)部氣體分析，按照GJB 548B-2005的測(cè)試要求，主要規(guī)定100℃烘烤24h以上，容積為0.01cm3至0.85cm3的封裝內(nèi)部水汽含量要求不高于5000ppm，且對(duì)水汽敏感器件或宇航級(jí)器件加嚴(yán)到2000ppm以下，但對(duì)其他氣體含量并無(wú)明確的定量規(guī)定[2]。這說(shuō)明，內(nèi)部氣體分析中，水汽含量的控制尤為重要。

研究表明，封裝器件內(nèi)的水汽含量以相對(duì)濕度%RH表示，則器件在加速壽命試驗(yàn)時(shí)的中位壽命可表示為：

其中：C1、C2為常數(shù)，Eα為激活能，N、n為模型常數(shù)，n＞1，k為波耳茲曼常數(shù)，T為器件試驗(yàn)時(shí)所處的絕對(duì)溫度。

中位壽命τ50是指可靠度為50%時(shí)的可靠壽命，即有一半產(chǎn)品產(chǎn)生故障。上述公式表明，合格的器件壽命與其內(nèi)部水汽含量（%RH）成負(fù)指數(shù)或負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，即隨著內(nèi)部水汽含量的增加，器件壽命迅速降低，對(duì)于長(zhǎng)壽命高可靠性產(chǎn)品極為不利[3-5]。

徐愛(ài)斌在研究中，對(duì)多組國(guó)產(chǎn)元器件進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行低溫加電工作壽命試驗(yàn)，結(jié)果顯示大多數(shù)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件露點(diǎn)溫度大于0℃，同時(shí)低溫試驗(yàn)中中位壽命較長(zhǎng)，電參數(shù)穩(wěn)定性較好的兩種器件，其露點(diǎn)溫度同樣為最低[6]。顧振球等通過(guò)對(duì)30只國(guó)產(chǎn)軍用器件進(jìn)行4000小時(shí)壽命研究，指出器件失效機(jī)理為：因水汽引起芯片電性能劣化[7]。封裝內(nèi)部水汽對(duì)器件的影響在500小時(shí)前極為敏感，露點(diǎn)溫度越高，器件性能劣化越明顯，腐蝕現(xiàn)象也越多。這表示封裝內(nèi)部水汽含量偏高，是影響器件可靠性的重要原因之一。

從廣義上來(lái)講，與封裝內(nèi)水汽相關(guān)的器件失效模有很多[8-9]。大致為：①腐蝕失效：鍵合點(diǎn)的腐蝕物的產(chǎn)生，導(dǎo)致鍵合截面的接觸電阻增大，鍵合強(qiáng)度嚴(yán)重下降，最終導(dǎo)致鍵合點(diǎn)脫鍵，形成開(kāi)路，元器件功能失效。②電遷移、金屬遷移：樹(shù)枝狀結(jié)晶的生長(zhǎng)、離子沾污、金屬化合物形成等現(xiàn)象，易造成電路的短路或燒毀。③機(jī)械損傷：充水裂紋的表面張力會(huì)引起裂紋迅速擴(kuò)展，同時(shí)是陶瓷外殼和鈍化層裂紋的加速器，易造成氧化層分層和開(kāi)裂，從而造成元器件失效。④界面分層：玻璃膠粘接分層、有機(jī)芯片粘接分層、塑料中的熱忱開(kāi)裂、塑料封裝和混合電路的爆米花效應(yīng)等易導(dǎo)致電路失效，影響器件功能參數(shù)。

元器件的這些失效模式均會(huì)影響器件參數(shù)穩(wěn)定及降低貯存及使用壽命，降低元器件的可靠性。封裝內(nèi)部水汽含量越高，當(dāng)環(huán)境溫度下降到露點(diǎn)時(shí)，吸附在芯片表面的水汽會(huì)形成漏電通道，導(dǎo)致元器件漏電流增大，器件參數(shù)超差，甚至成為引起器件內(nèi)部污染物電化學(xué)反應(yīng)的電解質(zhì)，降低元器件的可靠性[3]。

2 封裝內(nèi)部水汽來(lái)源及控制方法

國(guó)產(chǎn)軍用氣密性封裝元器件，按照GJB 548B-2005或GJB128A-1997的規(guī)定，100℃烘烤24h以上，器件內(nèi)部水汽含量要求不高于5000ppm。實(shí)際生產(chǎn)、使用過(guò)程中器件內(nèi)部水汽含量控制在1000ppm以內(nèi)，才能夠更大限度的保證器件可靠性運(yùn)行。那么對(duì)水汽含量的控制，就成為各企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1 封裝內(nèi)部水汽來(lái)源

一般來(lái)講，對(duì)半導(dǎo)體分立器件及混合集成電路氣密性封裝，內(nèi)部水汽含量超標(biāo)與原因通常有以下幾點(diǎn)：①管殼自身缺陷，使用不合格管殼，造成水汽檢測(cè)不合格。②元器件封裝環(huán)境內(nèi)濕度水汽超標(biāo)，引起封裝后器件內(nèi)部水汽含量超標(biāo)。③封裝材料如器件外殼、芯片粘接介質(zhì)自帶水汽，在封裝前烘烤階段沒(méi)有完全除凈，封裝完畢后再高溫存儲(chǔ)或篩選過(guò)程中，吸附的水汽逐漸溢出到器件內(nèi)腔，造成水汽超標(biāo)。④器件封裝不合格，密封缺陷導(dǎo)致水汽含量超標(biāo)。

2.2 封裝內(nèi)部水汽控制措施

2.2.1 物料質(zhì)量控制

對(duì)一些器件測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分器件水汽含量不合格，是由器件外殼自身缺陷造成，比如玻璃絕緣子裂紋、陶瓷管殼裂紋等問(wèn)題所致，所以投產(chǎn)前對(duì)物料的嚴(yán)格篩選把關(guān)尤為重要，尤其對(duì)高可靠性要求元器件，一旦缺陷外殼流入產(chǎn)線，投入使用，會(huì)影響整機(jī)質(zhì)量，甚至造成重大損失。因此減少或避免因管殼自身缺陷造成的失效，就要求嚴(yán)格把控人員和物料因素[10]。

2.2.2 控制封裝環(huán)境內(nèi)氣體氛圍

近年來(lái)大部分生產(chǎn)廠家，雖有先進(jìn)的封裝技術(shù)，但水汽含量不達(dá)標(biāo)者仍然不少，這就說(shuō)明封裝技術(shù)和封裝工藝的重要性。晶體管、光電耦合器等電路，多采用儲(chǔ)能焊、平行封焊等工藝進(jìn)行封口。對(duì)于封焊機(jī)也多采用高純氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，但由于半成品的流轉(zhuǎn)及封口箱密封性問(wèn)題，箱內(nèi)的干燥氮?dú)庖着c周圍環(huán)境的潮濕氣體混合，而造成箱內(nèi)氣體氛圍的濕度明顯增大。因此改善封裝內(nèi)的水汽含量，首先需要必須控制產(chǎn)品流轉(zhuǎn)流程并改善封口箱的密封性，以保證封裝環(huán)境內(nèi)水汽含量低于工藝及標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

2.2.3 封裝材料吸附水汽控制措施

器件封口前，封裝材料吸附的水汽，通常要經(jīng)過(guò)高溫烘烤，才能進(jìn)行最后封口操作。其目的也是為了提高器件溫度，加速腔內(nèi)及封裝材料與所吸附水汽的脫離。采用真空烘烤除氣，利用分子熱運(yùn)動(dòng)，升溫加速分子運(yùn)動(dòng)，同時(shí)充入高純氣體捕獲脫離器件的分子，通過(guò)抽真空方式降低水汽表面壓力，從而隨著真空排出器件腔外，是有效減少封裝材料吸附水汽措施之一。談侃侃通過(guò)對(duì)氣密性封裝內(nèi)水汽研究發(fā)現(xiàn)，不管何種導(dǎo)電膠，烘烤后的效果均好于未烘烤，并且隨之烘烤時(shí)間延長(zhǎng)，水汽含量逐步降低。管殼清洗后進(jìn)行150℃/8h的烘烤，隨封裝內(nèi)水汽和氣氛都有改善[12]。

烘烤的時(shí)間、烘烤溫度則是影響烘烤降低器件內(nèi)部水汽含量的關(guān)鍵因素。通常為加快分子運(yùn)動(dòng)，對(duì)于大部分產(chǎn)品，烘烤升溫速度越快越好。但對(duì)于對(duì)熱沖擊敏感的陶瓷類產(chǎn)品，熱沖擊可能會(huì)造成陶瓷管殼龜裂而導(dǎo)致漏氣。所以每種器件烘烤工藝流程和工藝條件的確定，因管殼選用材質(zhì)、粘接材料的差別而不同。如何合理選用烘烤時(shí)間和溫度，需要根據(jù)管殼指標(biāo)，通過(guò)工藝對(duì)比試驗(yàn)來(lái)確定。

2.2.4 封裝工藝控制措施

密封缺陷主要是蓋板密封口機(jī)械強(qiáng)度差或密封面存在薄弱處，這些缺陷容易在機(jī)械應(yīng)力、腐蝕等環(huán)境下形成漏氣孔，外界環(huán)境中氣體進(jìn)入腔體，造成水汽含量超標(biāo)。同時(shí)，如果漏孔被腐蝕物或雜質(zhì)堵塞，影響篩選檢漏結(jié)果，無(wú)法剔除漏氣器件。在篩選、考核過(guò)程中需防止器件被沾污，器件表面有異物的，在做檢漏前一定要做漏孔恢復(fù)，避免篩選漏檢。密封缺陷多見(jiàn)于平行縫焊和儲(chǔ)能焊，尤其是大腔體器件及TO封裝器件。對(duì)于合金焊料封帽，在選擇設(shè)計(jì)蓋板厚度及合金焊環(huán)寬度時(shí)，應(yīng)留有足夠的冗余量，工藝中要進(jìn)行嚴(yán)格控制，以免在縫焊中造成管可與蓋板封接面的未完全浸潤(rùn)，或因腔內(nèi)氣體排擠風(fēng)截面變窄，形成漏氣孔，造成漏氣，從而影響密封質(zhì)量[1,10]。

3 結(jié)論

封裝腔體內(nèi)的水汽含量與產(chǎn)品的可靠性、壽命密切相關(guān)。要提高元器件的使用、貯存可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，就不能忽視封裝內(nèi)部水汽對(duì)器件的危害。對(duì)于可靠性要求比較高的氣密性封裝元器件，例如軍用電子元器件，需要從生產(chǎn)起初，不斷優(yōu)化、把控封裝工藝，嚴(yán)格控制器件內(nèi)部水汽含量，降低器件失效概率，以保證軍用電子元器件長(zhǎng)期使用的質(zhì)量與可靠性。