玻璃封帽內(nèi)部水汽控制技術(shù)

郭 偉，陳 陶

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

集成電路IC的氣密性封裝一般分為金錫合金熔封、平行縫焊和黑瓷低溫玻璃熔封三種。由于黑瓷低溫玻璃外殼（簡稱玻璃外殼）具有價格低廉、良好的機械、電氣和化學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于軍工、民品的IC封裝中。但由于玻璃外殼本身的密封玻璃為多孔材料（圖1），在儲存和封裝過程中極易吸收水分（玻璃外殼保存周期一般為半年）。故而當(dāng)封裝工藝不合適時，電路內(nèi)部水汽波動較大，常出現(xiàn)水汽含量＞5 000×10-6的不合格情況（國軍標(biāo)GJB548B要求水汽≤5 000×10-6）。由于專用集成電路的鑒定過程復(fù)雜、鑒定周期長等特點，常有購買的外殼到正式批量使用時已經(jīng)超過保質(zhì)期的情況。但為了節(jié)約成本，很多情況下不得不使用過期玻璃外殼。對超過半年保質(zhì)期的外殼，采用常規(guī)的外殼/蓋板預(yù)烘處理措施難以保證電路內(nèi)部的水汽合格。因此，如何通過改進(jìn)封裝工藝，使采用此種外殼封裝的電路內(nèi)部水汽符合≤5 000×10-6的要求，是一項必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。黑瓷低溫玻璃外殼剖面圖如圖1所示。從圖1可以看出，密封玻璃部分存在明顯的空洞情況。

2 集成電路內(nèi)部水汽的危害

集成電路的內(nèi)部水汽超標(biāo)，其主要危害表現(xiàn)為減少器件的長期壽命和可靠性。據(jù)文獻(xiàn)1報道，假如封裝器件內(nèi)的水汽含量以相對濕度%RH表示，則器件在加速壽命試驗時的中位壽命τ50（T，%RH）＝C1exp（N/%RH+Eα/kT）或τ50（T，%RH）＝C2/（%RH）nexp（Eα/kT）。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為器件試驗時所處的絕對溫度。

實驗與上述公式均表明，氣密性器件失效前的壽命與其內(nèi)部水汽含量（%RH）成負(fù)指數(shù)或負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，即器件壽命隨其內(nèi)部水汽含量的增加而迅速降低，這對要求長壽命高可靠性產(chǎn)品是極為不利的。

水汽超標(biāo)造成器件壽命降低的具體原因之一，是芯片表面陰陽金屬層間的水薄膜形成電解電流，逐漸造成陽極金屬不斷溶解而陰極金屬不斷析出，最后造成陽極消失或引起極間電阻性短路等[1]（見圖2）。

3 玻璃封帽集成電路內(nèi)部水汽超標(biāo)原因分析

通常情況下，對于集成電路氣密性封裝，內(nèi)部水汽超標(biāo)的原因一般有三種情況：（1）封裝環(huán)境中的水汽超標(biāo)，這種情況比較容易控制，目前發(fā)生的幾率亦不多；（2）封裝用材料（外殼、芯片粘結(jié)材料）吸附的水汽，當(dāng)電路經(jīng)過封帽加熱和篩選等過程后，吸附的水汽逐漸溢出到電路腔體內(nèi)，引起水汽超標(biāo)；（3）檢測電路在檢測前已經(jīng)漏氣，使檢測數(shù)據(jù)失真而造成水汽超標(biāo)。

對于集成電路玻璃封帽內(nèi)部水汽超標(biāo)的原因，主要表現(xiàn)為上述情況中的后兩種。

（1）由于外殼密封所用玻璃材料為多孔結(jié)構(gòu)（見圖1），易吸附周圍環(huán)境中的水汽。而其對水汽的吸附主要表現(xiàn)為水分子的毛細(xì)凝集作用和水分子的化學(xué)凝集作用[3]。為此，玻璃外殼的保存期一般不超過半年；但軍用玻璃外殼大多為進(jìn)口，并且是一次采購多批次使用，故使用時大多超過了外殼的保質(zhì)期。因此，當(dāng)采用常規(guī)封裝工藝時，封裝的電路經(jīng)常出現(xiàn)水汽超標(biāo)的情況。選取產(chǎn)線上4只采用常規(guī)工藝封裝過期玻璃外殼的電路進(jìn)行內(nèi)部氣體檢測，見表1，灰線框出部分為水汽含量檢測結(jié)果。

表1 常規(guī)工藝封裝過期外殼致水汽超標(biāo)

（2）檢測過程中的操作引起內(nèi)部水汽含量超標(biāo)。由于玻璃封帽電路在檢測水汽時，需首先把陶瓷蓋板磨出一個凹槽（打薄蓋板，圖3），然后對凹槽進(jìn)行穿孔和檢測。而控制不當(dāng)會造成蓋板微開裂（圖3橢圓內(nèi)）漏氣從而造成水汽超標(biāo)的誤判。

4 降低玻璃封帽電路內(nèi)部水汽的試驗過程

4.1 試驗方案設(shè)計

由于玻璃封帽和同期進(jìn)行的合金封帽采用相同的設(shè)備和氣體，而合金封帽電路的水汽一般在300×10-6以下，故初步排除了封帽環(huán)境造成玻璃封帽水汽超標(biāo)的可能。因此，試驗重點放在如何去除玻璃外殼/蓋板上的密封玻璃吸附的水汽上面；在原工藝基礎(chǔ)上，增加裝片前外殼的預(yù)烘處理、增加封帽前外殼/蓋板的高溫烘烤。

4.2 試驗方案及結(jié)果

4.2.1 增加裝片前外殼/蓋板的預(yù)烘處理

增加裝片前外殼/蓋板（CerQFP64）的預(yù)烘處理結(jié)果見表2。從試驗結(jié)果來看，增加封裝前外殼/蓋板的預(yù)烘處理，對水汽基本沒有改善；表明水汽吸附不是通常認(rèn)為的表面物理吸附，可能是化學(xué)吸附。

表2 裝片前外殼/蓋板的預(yù)烘處理對水汽的影響

4.2.2 增加封帽前外殼/蓋板的高溫烘烤

根據(jù)外商提供的密封玻璃組成成份以及其轉(zhuǎn)化點（313 ℃）、軟化點（350 ℃）溫度等，為了去除玻璃的化學(xué)吸附水汽，設(shè)計了兩種封帽前高溫烘烤條件，試驗結(jié)果見表3。從實驗結(jié)果看，要去除玻璃的化學(xué)吸附水汽，封帽前的高溫烘烤溫度選擇在玻璃軟化點附近較合適。

表3 增加封帽前外殼/蓋板的高溫烘烤對水汽的影響

4.2.3 DOE驗證試驗

為了進(jìn)一步驗證增加封帽前的高溫烘烤對改善玻璃封帽電路內(nèi)部水汽的作用，又通過DOE試驗（5條件/2水平）進(jìn)行了驗證。驗證結(jié)果表明，高溫烘烤為最關(guān)鍵因素。再通過綜合優(yōu)化封裝工藝，即使采用過期玻璃外殼封裝電路，仍順利通過了篩選考核中的水汽檢測，水汽檢測結(jié)果見表4。

5 結(jié)束語

當(dāng)采用玻璃外殼（尤其是超過保質(zhì)期的進(jìn)口玻璃外殼）進(jìn)行專用電路封裝時，為了保證封裝電路的內(nèi)部水汽滿足國軍標(biāo)的要求（≤5 000×10-6）。封裝過程中，除了常規(guī)的去除水汽的措施外，增加封帽前的高溫烘烤是切實有效的措施。

表4 某型號電路的水汽檢測結(jié)果

[1]賈松良.封裝內(nèi)水汽含量的影響及控制[J].電子與封裝，2002，12.

[2]許桂芳.元器件的封裝氣氛及內(nèi)部材料物質(zhì)對其內(nèi)部水汽含量的影響[J].試驗技術(shù)與試驗機，2004，3、4.

[3]顧振球，梁法，等.密封半導(dǎo)體器件內(nèi)部水汽含量的控制[J].