金屬與玻璃封裝集成電路小漏率檢測技術(shù)研究

盧思佳

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東　廣州　510610）

金屬與玻璃封裝集成電路小漏率檢測技術(shù)研究

盧思佳

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610）

對金屬-玻璃封裝集成電路的小漏率檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，介紹了充壓式氦質(zhì)譜檢漏法、破壞性內(nèi)部氣氛含量分析法和累積型氦檢漏法的原理和流程；然后，分別利用這3種方法，對某試驗樣品的小漏率進(jìn)行了檢測；最后，根據(jù)試驗結(jié)果，對3種方法的優(yōu)缺點和適用范圍進(jìn)行了總結(jié)，對于金屬-玻璃封裝集成電路的小漏率的檢測方法的正確選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

集成電路；小漏率；檢測技術(shù)

0　引言

元器件密封的主要目的是為了防止所充入的保護(hù)氣體的外泄，以及外部水汽等有害氣體的漏入。一種理想的氣密封裝應(yīng)在無限的時間內(nèi)均能防止污染物 （液體、固體或氣體）的侵入。然而，即便是在最好的密封結(jié)構(gòu)中，擴散現(xiàn)象也總是會隨著時間的延長而出現(xiàn)，從而使得很小的分子 （例如：氦或水蒸氣）穿透阻擋材料，最終在封裝內(nèi)達(dá)到平衡[1]。

密封試驗的目的是為了確定一種具有內(nèi)空腔的微電子器件或半導(dǎo)體器件封裝的氣密性。小泄漏通常指的是用充壓氦法進(jìn)行氦氣加壓的過程中，由于器件內(nèi)外的壓差大，氦氣會通過微小的漏孔進(jìn)入樣品內(nèi)部的現(xiàn)象。采用一般質(zhì)譜儀進(jìn)行細(xì)檢漏時，由于漏孔小、壓差小和設(shè)備靈敏度較低等原因，已充入樣品內(nèi)部的小漏率氦氣通常都無法被檢測出來[2-3]。

若將存在此類小泄漏現(xiàn)象的器件置于空氣環(huán)境中，則只能保證被檢測的元器件在短時間內(nèi)其內(nèi)部氣體不被外界環(huán)境污染，但不能保證器件的長期可靠性。因此，本項目對金屬與玻璃封裝集成電路的小漏率的檢測方法進(jìn)行了研究。

表2　樣品做完密封試驗后內(nèi)部氣氛分析結(jié)果

1　概況

本研究的目的為通過對金屬與玻璃封裝集成電路的小漏率檢測技術(shù)進(jìn)行研究，解決金屬與玻璃封裝集成電路密封試驗過程中的小漏率問題。

存在小漏率的樣品，如果按照目前國軍標(biāo)中密封試驗的判據(jù)要求進(jìn)行判定，則其細(xì)檢漏和粗檢漏的測試結(jié)果都是合格的。但在進(jìn)行內(nèi)部水汽含量測試時，在對器件的內(nèi)部氣氛進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)器件的內(nèi)部存在密封性測試的示蹤物質(zhì)，表明器件的密封性能不夠好[4]。取4只樣品，按GJB 548B方法1014對其進(jìn)行密封試驗，試驗結(jié)果如表1所示。完成密封試驗后，對器件的內(nèi)部氣氛進(jìn)行分析，所得的結(jié)果如表2所示。

而對于所關(guān)注的器件內(nèi)部水汽含量，按照GJB 548方法 1018的規(guī)定，其值不能超過 0.5%（5 000 ppm），對比表1中2#樣品和4#樣品的密封試驗結(jié)果及表2中2#樣品和4#樣品水汽含量數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，水汽含量是否超標(biāo)與器件是否存在小漏率問題并沒有直接的關(guān)聯(lián)。但是，根據(jù)大量的試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，目前就國產(chǎn)器件而言，若其出現(xiàn)小漏率問題，則其水汽含量值普遍較同批生產(chǎn)的、未出現(xiàn)此問題的器件的試驗數(shù)值高。本項目中所考慮的存在小漏率問題的樣品是指漏率小于5×10-3Pa.cm3/s的樣品。

表1　樣品密封試驗結(jié)果

2　小漏率檢測方法

2.1充壓氦質(zhì)譜檢漏方法

普通示顯氣體氦 （He）細(xì)檢漏法的檢測效率較高，且無損無害，是目前應(yīng)用最為普遍的細(xì)檢漏方法[5]，但其檢測系統(tǒng)本底的氦漏率和被檢件表面吸附氦漏率常常會嚴(yán)重地制約檢測靈敏度，這也是采用該方法檢漏時的主要誤差來源[6]。

目前充壓式氦質(zhì)譜檢漏法有2種方法：固定方法和靈活方法。

a）固定方法：對特定的封裝尺寸范圍要求有特定加壓壓力和加壓時間的試驗方法。主要分3步，即：1）對樣品充氦；2）消除樣品表面吸附的氦氣；3）檢測樣品的漏率，最終判斷是否拒收，其具體的流程如圖1所示。

圖1　充壓法氦質(zhì)譜檢漏方法流程圖

b）靈活方法：根據(jù)樣品的封裝體積，選擇適當(dāng)?shù)某浜毫Α毫ψ饔脮r間和停留時間，然后通過如下公式計算樣品的測量漏率[3]。

式 （1）中：R1——示蹤氣體 （氦）的測量漏率，（Pa·cm3）/s；

L——等效標(biāo)準(zhǔn)漏率，（Pa·cm3）/s；

PE——絕對作用壓力，Pa；

PO——絕對大氣壓力，Pa；

MA——空氣的分子量 （為28.7），g；

M——示蹤氣體氦的分子量 （為4），g；

t1——受PE壓力作用的時間，s；

t2——去除壓力后到漏氣檢測之間的停頓時間，s；

V——被試器件封裝的內(nèi)腔體積，cm3。

2.2破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析檢漏方法

氦氣是氦質(zhì)譜檢漏的示蹤氣體，對于采用加壓法檢漏的產(chǎn)品，除了存在不穩(wěn)定的漏孔外，內(nèi)部氦氣的含量應(yīng)是計算其真實測量漏率和氦氣標(biāo)準(zhǔn)漏率的最可信的依據(jù)。而漏入的水汽含量和氧氣含量與這些漏率密切相關(guān)，因而可采用破壞性內(nèi)部氣氛分析法首先得到器件內(nèi)部氦氣的含量，然后通過相應(yīng)的計算公式算出氦氣的漏率[7]。

2000年出版的美國專著 《電子封裝的密封性》中指出：“破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析法既可以用于驗證氦質(zhì)譜或積累氦質(zhì)譜密封性檢測的結(jié)果，又可以用于密封性檢測”[8]，但書中未進(jìn)一步地給出該檢漏法的實施方法。在2011年的美國軍用和宇航用電子元器件會議上，有文獻(xiàn)指出：“漏率測試表明了殘余氣體分析儀 （RGA：Residual Gas Analyzer）分析結(jié)果的可信性，RGA分析結(jié)果表明了漏率測試的可信性；內(nèi)部氣氛分析能辨別更為嚴(yán)密的漏率判據(jù)”，但文中也未給出內(nèi)部氣氛分析檢漏法的具體實施方法。但是，上述文獻(xiàn)均說明了內(nèi)部氣氛的含量與密封樣品的漏率是密切相關(guān)的。

破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析法主要分為3個部分：1）樣品在規(guī)定的時間及壓力條件下壓入氦氣；2）通過破壞性內(nèi)部氣氛分析得到內(nèi)部氦氣的含量 （含量百分比）；3）利用變換分子流公式計算氦氣的漏率，具體的試驗步驟如圖2所示。

圖2　　破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析法的流程圖

氦氣漏率的算法主要從公式 （1）中變換而來。

經(jīng)t1加壓時間和t2候檢時間后，器件內(nèi)部的氦壓 （這里的氦氣含量是加壓過程引起的）為：

式 （2）-（3）中：P（t），QHe——氦氣在封裝內(nèi)的數(shù)量 （或在封裝內(nèi)的氦氣分壓），atm。

其他參數(shù)所代表的意義與式 （1）中的相同。

通過式 （3），我們可以在已知樣品封裝的內(nèi)部容積、密封氦氣加壓壓力、受壓時間和測得的氦氣的含量的情況下，計算出氦氣的標(biāo)準(zhǔn)漏率，再通過氦氣分壓關(guān)系得到氦氣的測量漏率。

2.3累積型氦檢漏方法

累積型氦檢漏法主要是通過采用累積型氦檢漏儀進(jìn)行檢漏試驗[9]。

累積氦質(zhì)譜檢漏法仍是基于經(jīng)典的豪威爾-曼方程表征的分子流氣體交換原理進(jìn)行的，只是采用了新型的積累氦質(zhì)譜檢漏設(shè)備 （CHLD），該設(shè)備通過配置低溫冷凝泵、分子泵和四極質(zhì)譜儀等組合裝置，能夠在高真空、高信噪比環(huán)境中進(jìn)行檢漏，檢漏靈敏度較傳統(tǒng)的氦質(zhì)譜檢漏儀可提高若干個數(shù)量級。累積型氦檢漏儀的工作原理與內(nèi)部氣氛分析儀的基本原理相近，都采用了四極質(zhì)譜儀，通過氦氣含量計算氦氣的漏率。

累積型氦檢漏法的流程如圖3所示。

圖3　累積型氦檢漏法的流程圖

3　3種小漏率方法的檢測結(jié)果比對

3.1試驗?zāi)康?/p>

分別利用3種檢漏方法對相同的樣品的密封性進(jìn)行檢測，通過對檢測結(jié)果進(jìn)行分析來總結(jié)3種檢漏方法各自的優(yōu)缺點和適用范圍，從而為金屬與玻璃封裝的集成電路的小漏率檢測方法的正確選擇提供一定的指導(dǎo)。

3.2試驗樣品的準(zhǔn)備

在GJB 548B方法1014密封試驗條件A1中，按樣品體積的大小劃分了5種不同的試驗條件和接收判據(jù)，選取體積大于等于0.1 cm3的5種內(nèi)腔體積 （0.1、0.4、0.9、4.3和12.8 cm3）進(jìn)行試驗 （如圖4所示），5個體積劃分在大于0.1 cm3的4個區(qū)間內(nèi)，要求這些金屬與玻璃封裝的樣品在純氮氣的環(huán)境下進(jìn)行封裝，并在封裝完成后到本試驗室進(jìn)行樣品的第一次密封試驗，這樣做主要是為了防止樣品在進(jìn)行多次密封試驗、經(jīng)過多次充壓氦氣后，氦氣量的疊加對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。按順序采用充壓氦質(zhì)譜檢漏、累積型氦檢漏和破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析檢漏3種方法對樣品的漏率進(jìn)行檢測。

圖4　選取的試驗樣品典型圖

3.3試驗步驟

將器件內(nèi)部沒有預(yù)充氦氣的試驗樣品置于壓力箱中，壓力箱抽真空后充入PE氦壓，并維持t1時間，取出樣品后，用干燥空氣 （或氮氣）將樣品表面吸附的氦氣大體吹走 （大約5 min），然后在1 h內(nèi)按下述順序?qū)悠愤M(jìn)行試驗。

1）采用普通氦質(zhì)譜檢漏設(shè)備對樣品進(jìn)行檢漏，讀取測量漏率R1；

2）試驗1）完成后，采用累積型氦檢漏儀對樣品進(jìn)行密封試驗，讀取測量漏率R2；

3）試驗2）完成后，將樣品及符合要求的夾具放進(jìn)穿刺臺，對樣品進(jìn)行內(nèi)部氣氛分析試驗，檢測樣品內(nèi)部氦氣的含量，再通過漏率公式計算出樣品中氦氣的漏率R3。

3.4試驗結(jié)果

a）由于氦質(zhì)譜檢漏設(shè)備的靈敏度及本底噪聲的限制，當(dāng)一般氦質(zhì)譜檢漏儀的本底漏率在5.0× 10-5～1.0×10-4Pa.cm3/s之間 （設(shè)備的一般狀態(tài)）時，即使在氣密封檢漏前已經(jīng)對樣品進(jìn)行過必要的表面吸附處理，在樣品的漏率小于5.0×10-4Pa.cm3/s時，也不宜使用普通氦質(zhì)譜檢漏設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的小漏率檢測。

b）累積型氦檢漏法檢測精度高，測試的小漏率的范圍可以精確到1.0×10-7～5.0×10-3Pa.cm3/s，但當(dāng)樣品的漏率大于5.0×10-4Pa.cm3/s時，不建議使用該方法進(jìn)行測試；這是因為，累積型氦檢漏儀本身就是用于測試小漏率的，其對環(huán)境的要求很苛刻，漏率大會污染系統(tǒng)。

c）破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析法既可以用于小漏率密封性檢測，又可以驗證氦質(zhì)譜或積累型氦檢漏的結(jié)果。采用內(nèi)部氦氣含量質(zhì)譜分析法對樣品的漏率進(jìn)行檢驗，可不受氦質(zhì)譜檢漏儀本底漏率值和被檢件表面吸附氦漏率這兩項背景漏率的影響，從而可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。其可檢氦氣的含量大于0.001% （10 ppm），檢測出的氦氣測量漏率R可低至10-12～10-14Pa.cm3/s。

d）從上述幾組試驗數(shù)據(jù)可以看出，充壓法氦質(zhì)譜檢漏、破壞性內(nèi)部氣氛含量質(zhì)譜分析檢漏和累積型氦檢漏3種方法都可以用于對金屬與玻璃封裝集成電路的小漏率進(jìn)行檢測，但各自具備不同的優(yōu)缺點及適用范圍，具體的情況如表3所示。

表3　3種測試方法對比指南

4　結(jié)束語

針對金屬與玻璃封裝集成電路的小漏率問題，本文對充壓式氦質(zhì)譜檢漏法、破壞性內(nèi)部氣氛含量分析法和累積型氦檢漏法進(jìn)行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，充壓式氦質(zhì)譜檢漏法是目前國內(nèi)最常用的密封檢漏方法，但會受到氦質(zhì)譜檢漏設(shè)備的靈敏度及本底噪聲的限制；破壞性內(nèi)部氣氛含量分析法既可以用于小漏率的檢測，又可以用來驗證氦質(zhì)譜或累積氦質(zhì)譜密封性檢測的結(jié)果；積累型氦檢漏法檢漏精度較高，可應(yīng)用于漏率較小的情況。相關(guān)技術(shù)人員可根據(jù)具體的情況，選擇適用的檢漏方法，以得到準(zhǔn)確的測試結(jié)果。

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Research on the Detecting Techniques of the Small Leak Rate of Metal and Glass Package Integrated Circuit

LU Si-jia
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The detecting techniques of the small leak rate of metal and glass package integrated circuit are studied.Firstly，the principles and processes of pressure-filled helium mass spectrometer leak detection method，destructive internal gas content analysis method and accumulative helium leak detection method are introduced.And then，the small leak rate of some test samples are detected through the three methods.Finally，based on the test results，the advantages and disadvantages of the three methods as well as their application scope are summarized，which has important guiding significance for the correct selection of the detection method of the small leak rate of metal and glass package integrated circuit.

integrated circuit；small leak rate；detecting technique

TN 407

A

1672-5468（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

2016-01-29

2016-07-20

盧思佳 （1987-），女，廣東廣州人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所元器件檢測中心助理工程師，從事電子元器件檢測工作。