光電耦合器內(nèi)部氣氛長(zhǎng)期貯存變化的研究*

周 帥，鄭大勇，歐 熠，陳海鑫

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶400065）

光電耦合器內(nèi)部氣氛長(zhǎng)期貯存變化的研究*

周 帥1*，鄭大勇1，歐 熠2，陳海鑫1

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶400065）

根據(jù)氣密封裝器件的內(nèi)部氣體流動(dòng)原理，對(duì)光電耦合器內(nèi)部氣氛含量的初始狀態(tài)進(jìn)行了分析，對(duì)長(zhǎng)期貯存的變化狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，隨后采用內(nèi)部氣氛分析儀驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果，證明了氣體流量原理能夠有效預(yù)測(cè)光電耦合器封裝內(nèi)部的氣氛含量，并且能夠?qū)⒎庋b工藝的薄弱環(huán)節(jié)暴露在檢測(cè)初始階段。通過(guò)分析測(cè)量漏率與真實(shí)漏率之間的關(guān)系，對(duì)提高預(yù)測(cè)光電耦合器內(nèi)部氣氛含量長(zhǎng)期貯存變化的準(zhǔn)確性提出了建議。

光電耦合器；長(zhǎng)期貯存；氣體流動(dòng)原理；內(nèi)部氣氛變化

氣密性封裝光電耦合器（以下簡(jiǎn)稱光電耦合器）的可靠性與封裝內(nèi)部殘余氣氛含量有著密切的關(guān)系，長(zhǎng)期貯存環(huán)境中的溫度及濕度對(duì)其內(nèi)部氣氛變化都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，水汽的侵入將導(dǎo)致集電極暗電流ICEO［1-2］增大等性能參數(shù)退化。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用美國(guó)IVA-210s內(nèi)部氣氛分析儀對(duì)氣密封器件封裝內(nèi)部殘余氣氛含量進(jìn)行測(cè)試［3］，此測(cè)試屬于破壞性的事后分析，在此基礎(chǔ)上再采取工藝控制的補(bǔ)救措施，然而這種方式不僅不能有效控制光電耦合器內(nèi)部氣氛含量，對(duì)內(nèi)部氣氛含量變化狀態(tài)也無(wú)從得知，更是給整機(jī)的可靠性帶來(lái)潛在的危害，本文運(yùn)用氣密封裝器件的內(nèi)部氣體流動(dòng)原理將事后分析改為事前預(yù)測(cè)，把封裝工藝的薄弱環(huán)節(jié)暴露在事前階段，為評(píng)價(jià)封裝內(nèi)部氣氛可靠性提供了依據(jù)。

1 氣密封裝光電耦合器內(nèi)部氣體流動(dòng)分析

氣體流量是指氣體流動(dòng)過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任一截面的氣體量。一般情況下，由于漏道和氣氛流導(dǎo)相同，所以氣氛流入與流出的物理過(guò)程相似，但如果氣氛泄漏存在高分壓與低分壓壓差，那么氣氛流入和流出的物理過(guò)程將存在差別。當(dāng)某種氣氛從封裝中泄漏出來(lái)時(shí)，該氣氛進(jìn)入的是一個(gè)恒定的氣態(tài)環(huán)境，如當(dāng)氦氣從封裝漏道泄漏到空氣里，并不會(huì)改變空氣氦氣的濃度；但當(dāng)某種氣氛漏入到封裝中時(shí)，該氣體分壓壓力較低的一側(cè)將會(huì)發(fā)生改變。因此氣氛只有在封裝外分壓大于封裝內(nèi)分壓的狀態(tài)下，才會(huì)漏入到封裝內(nèi)部。當(dāng)氣氛進(jìn)入封裝時(shí)，該氣氛在封裝的分壓會(huì)持續(xù)增加，直到封裝內(nèi)外的分壓相同。然而每種氣氛的分壓和分子量均不相同，所以不同的氣氛會(huì)以不同速率通過(guò)相同的漏率通道。氣體流動(dòng)的基本關(guān)系如式（1）［4］：

式中，Q為單位時(shí)間內(nèi)氣體流過(guò)的量，氣體的量稱為流量，用容積×壓力來(lái)表示；P1為高壓側(cè)的壓力；P2為低壓側(cè)的壓力；F為漏氣通道的氣體流導(dǎo)，單位為體積/秒。

氣體通過(guò)漏道的流導(dǎo)受分子流制約［4］如式（2）：

式中，P1為高壓側(cè)的分壓；P2為低壓側(cè)的分壓；Fm為漏道的分子流導(dǎo)；R為每秒的流量；T為絕對(duì)溫度，單位為K；M為泄漏氣體的摩爾質(zhì)量。

不考慮具體氣體及其溫度，式（2）變成

從封裝密封時(shí)刻（t0）開始到之后的某個(gè)時(shí)刻（t），進(jìn)入封裝氣體的數(shù)量為漏氣率在這段時(shí)間內(nèi)的積分。進(jìn)入氣體數(shù)量用Qin表示，Qin的表達(dá)式如下：

上式也等于

式中，P0為泄漏氣體等于1 atm時(shí)的分壓；PR為泄漏氣體不是1 atm時(shí)的分壓。

將ΔPt代入式（4）：

使用真實(shí)漏率，

式中，P0=1，積分后可得：

式中，Qin為氣體流量，即漏入氣體的體積×壓力。為了得到壓力表示的氣體數(shù)量，將上式除以封裝的固定體積得到式（7）［5］：

式中，QinP為在時(shí)間t內(nèi)進(jìn)入到封裝里的氣體數(shù)量，單位為atm；ΔPi為初始分壓力之差，單位為atm；L為真實(shí)漏率，單位（atm·cm3）/s；t為氣體漏入封裝里的時(shí)間，單位為s；V為封裝的體積，單位為cm3。

對(duì)式（7）兩邊取對(duì)數(shù)，得到式（8）［5］和式（9）［5］。因此在已知微電子器件封裝的真實(shí)漏率和初始分壓、封裝內(nèi)部容積時(shí)，就能推算出給定時(shí)間內(nèi)漏入給定封裝的氣體數(shù)量以及給定數(shù)量的氣體漏入到封裝內(nèi)所需的時(shí)間。

2 氣密封光電耦合器封裝內(nèi)部氣氛來(lái)源分析

氣體流量公式的應(yīng)用必須結(jié)合內(nèi)部氣氛來(lái)源分析。由于在檢測(cè)過(guò)程中，生產(chǎn)研制單位最為關(guān)注封裝內(nèi)部水汽含量的變化，因此以水汽為例進(jìn)行封裝內(nèi)部氣氛來(lái)源分析。一般而言，封裝內(nèi)部水汽含量主要有3個(gè)來(lái)源：（1）封裝外部的水汽漏入到封裝內(nèi)部；（2）從封裝內(nèi)壁、內(nèi)部材料或者元器件釋放出的水汽；（3）封裝內(nèi)的氧氣和氫氣發(fā)生反應(yīng)生成水。

2.1 水汽從外部環(huán)境中漏入密封封裝

封裝內(nèi)部的水汽分壓一般來(lái)源于封裝內(nèi)材料的釋放或者產(chǎn)品密封時(shí)密封箱中的水汽，而封裝外的水汽分壓與環(huán)境的相對(duì)溫度（R.H.）有直接的關(guān)系。圖1和表1是基于《CRC化學(xué)和物理手冊(cè)》［6］的數(shù)據(jù)。圖1顯示了當(dāng)相對(duì)濕度為100%時(shí)空氣中的水汽分壓和溫度的關(guān)系。表1顯示了在一些特定的溫度和相對(duì)濕度下空氣中的水汽分壓。

圖1 100%相對(duì)濕度時(shí)空氣中的水汽分壓與溫度的函數(shù)關(guān)系

表1 在特定溫度和相對(duì)濕度下空氣中的水汽分壓 單位：atm

2.2 封裝內(nèi)釋放的水汽

光電耦合器封裝內(nèi)部在真實(shí)環(huán)境中不可能完全不產(chǎn)生水汽，即使是完全密封的腔室內(nèi)也會(huì)有一定的水汽，通常為≤100×10-6。釋放的水汽主要來(lái)源于吸附在材料表面的水汽和分布在材料內(nèi)部的水汽。

封裝內(nèi)部的材料會(huì)釋放一定量的水汽，釋放水汽的量主要取決于材料的種類、制備工藝和密封前的預(yù)處理情況。大部分的水汽釋放過(guò)程發(fā)生在老煉試驗(yàn)和高溫工作過(guò)程。在給定的溫度下，可釋放的水汽含量逐漸減少。隨著水汽的釋放，封裝內(nèi)的水汽壓力在逐漸增加，從而降低了水汽釋放的速度，因此釋放出的水汽含量與時(shí)間成對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)包含了初始水汽量和釋放的水汽量時(shí)，168 h老煉試驗(yàn)后封裝內(nèi)的水汽含量隨著時(shí)間變化的典型曲線［5］，如圖2所示。

圖2 不同尺寸封裝水汽壓力與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系

因此當(dāng)封裝內(nèi)部初始水汽存在，那么總的水汽含量：

式中，QH2O(total)為封裝內(nèi)總的水汽含量；QH2O(initial)為封裝內(nèi)的初始水汽含量；QH2O為漏入封裝內(nèi)的水汽含量。

結(jié)合式（7），得出：

2.3 封裝內(nèi)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水汽

封裝內(nèi)的水汽產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)式如下所示，理論上存在氫氣和氧氣直接發(fā)生反應(yīng)的可能性。封裝內(nèi)部釋放氫氣，使氧化物還原，氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)生成水。

這個(gè)反應(yīng)在常溫和常壓下非常慢，所以多年也不能形成可檢測(cè)到的水汽量。然而，合適的催化劑將導(dǎo)致這個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。

3 光電耦合器封裝內(nèi)部氣氛變化預(yù)測(cè)

下面以被測(cè)光電耦合器封裝密封性初始狀態(tài)為基礎(chǔ)，針對(duì)目前主流封裝環(huán)境，用實(shí)例驗(yàn)證氣體流量公式用于預(yù)測(cè)內(nèi)部氣氛含量變化的有效性，同時(shí)結(jié)合RGA（殘余氣氛分析）分析封裝內(nèi)部氣氛來(lái)源。

3.1 預(yù)充10%氦氣封裝環(huán)境的光電耦合器內(nèi)部氣氛變化

對(duì)某研制單位生產(chǎn)線上隨機(jī)抽取同批次3只光電耦合器進(jìn)行內(nèi)部氣氛預(yù)測(cè)，每只器件的封裝容積為0.5 cm3，在10%氦氣和90%氮?dú)獾沫h(huán)境下封裝。封裝完后，馬上測(cè)量到的漏率為1.0×10-10atm·cm3、1.2×10-10atm·cm3、1.0×10-10atm·cm3。預(yù)測(cè)放在溫度25℃，相對(duì)濕度50%的環(huán)境中，進(jìn)入到封裝內(nèi)部的水汽需要多長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到5 000×10-6。

計(jì)算預(yù)測(cè)如下：

根據(jù)測(cè)量漏率和真實(shí)漏率之間的關(guān)系可得

針對(duì)輪滑技術(shù)學(xué)習(xí)的這些特點(diǎn)，以學(xué)生為主體，精講多練，將個(gè)別教學(xué)，友伴群體教學(xué)、輪滑社團(tuán)三種教學(xué)組織形式貫穿始終，銜接課堂學(xué)習(xí)與課后學(xué)習(xí)。各教學(xué)組織形式相輔相成，互為基礎(chǔ)，促成了學(xué)生對(duì)輪滑技術(shù)的掌握，并強(qiáng)化學(xué)生運(yùn)動(dòng)鍛煉的習(xí)慣

由于不同氣體分子的質(zhì)量和大小各不相同，所以不同的氣氛通過(guò)同一個(gè)封裝漏道的漏率也不一樣。由《不同氣體的漏率轉(zhuǎn)換表》［5］可知LH2O與LHe漏率的轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.471，所以

查表1可知，25℃、50%相對(duì)濕度水氣壓=0.015 6 atm，根據(jù)式（8）計(jì)算可知：

同理其余兩只樣品t依次為3 956 d、4 748 d。

3.2 預(yù)充99.9%氮?dú)夥庋b環(huán)境的光電耦合器內(nèi)部氣氛變化

采用與上述封裝體積相同，封裝環(huán)境（99.9%氮?dú)猸h(huán)境下封裝）不同的3只光電耦合器進(jìn)行內(nèi)部氣氛含量預(yù)測(cè)。首先按GJB548方法1014細(xì)檢漏試驗(yàn)條件5 atm，加壓4 h。測(cè)得漏率為1.9×10-13atm·cm3、2.0×10-13atm·cm3、1.9×10-13atm·cm3。預(yù)測(cè)放在溫度25℃，相對(duì)濕度50%的環(huán)境中，進(jìn)入到封裝內(nèi)部的水汽需要多長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到5 000×10-6。

假設(shè) LHe=1×10-9；計(jì)算可知 R=1.43×10-13；假設(shè) LHe=1×10-8；計(jì)算可知 R=1.44×10-11；將R繪出相對(duì)于 LHe的點(diǎn)為一條直線，該直線顯示R=1.9×10-13atm·cm3時(shí)，LHe≈1×10-9～2×10-9，利用線性插值法：1.1×10-9×5×(1-e-28800×1.1×10-9)≈1.9×10-13atm·cm3，由此可知 LH2O=0.471LHe= 0.471×1.1×10-9=5.18×10-10atm·cm3，通過(guò)式（8）可知t=4 061天，同理其余兩只樣品t依次為3 957 d、4 061 d。

3.3 光電耦合器內(nèi)部氣氛變化測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)上述兩種封裝環(huán)境的被測(cè)樣品，放在溫度25℃，相對(duì)濕度50%的環(huán)境中365 d后，進(jìn)行RGA測(cè)試，驗(yàn)證器件封裝內(nèi)部氣氛變化。

表2 內(nèi)部氣氛貯存預(yù)測(cè)及RGA實(shí)際測(cè)試結(jié)果比對(duì)

從RGA測(cè)試結(jié)果可知，器件內(nèi)部氣氛在經(jīng)過(guò)1 y的時(shí)間，由式（10）可知封裝內(nèi)部氣氛總含量除了外界的漏入，還包括自身內(nèi)部材料也釋放了少量的水汽，所以實(shí)際氣氛含量比預(yù)測(cè)內(nèi)部氣氛含量較高。

4 光電耦合器內(nèi)部氣氛含量長(zhǎng)期貯存的變化分析

通過(guò)上述理論分析和實(shí)例驗(yàn)證，并結(jié)合工信部電子五所開展的（1996—2010）年光電耦合器自然暴露貯存14 y的退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)［7］，間接的證明了運(yùn)用封裝內(nèi)部氣體流動(dòng)原理結(jié)合氦質(zhì)譜細(xì)檢漏試驗(yàn)以及RGA測(cè)試，對(duì)定量預(yù)測(cè)研究光電耦合器內(nèi)部氣氛含量在使用環(huán)境中隨時(shí)間變化情況的有效性（貯存壽命長(zhǎng)達(dá)13 y左右），有利于進(jìn)一步明確器件封裝內(nèi)部氣氛的來(lái)源是封裝內(nèi)部釋放還是封裝外部漏入，為評(píng)價(jià)光電耦合器封裝可靠性提供了數(shù)據(jù)支撐。

同時(shí)在多次試驗(yàn)中，還發(fā)現(xiàn)對(duì)于預(yù)測(cè)光電耦合器內(nèi)部氣氛含量貯存變化的關(guān)鍵是測(cè)量氦氣漏率R值的準(zhǔn)確性，因?yàn)闇y(cè)量漏率R值將直接影響到產(chǎn)品的真實(shí)漏率L值，這是對(duì)于預(yù)測(cè)器件內(nèi)部氣氛含量是否滿足某些“長(zhǎng)期貯存、一次使用”應(yīng)用要求的關(guān)鍵條件。但大多數(shù)國(guó)產(chǎn)的氦質(zhì)譜檢漏受動(dòng)態(tài)真空模式、檢測(cè)罐及靈敏度等技術(shù)限制，實(shí)際最小可檢漏率一般為1.0×10-10atm·cm3，這對(duì)研究器件封裝內(nèi)部氣氛變化含量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，容易造成誤差，測(cè)試結(jié)果與器件實(shí)際貯存時(shí)間不相符。目前只有國(guó)外德國(guó)英?？倒旧a(chǎn)的Pernicka-700H累積式四級(jí)質(zhì)譜檢漏儀滿足測(cè)試小漏率微電子器件氣密性的要求，達(dá)到4.0×10-14atm·cm3的最小可檢漏率，所以建議使用該設(shè)備作為微電子器件長(zhǎng)期貯存封裝內(nèi)部氣氛變化的研究，從而提高微電子器件的封裝可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

氣密封光電耦合器的封裝可靠性，除了RGA數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)外，還應(yīng)結(jié)合測(cè)量漏率及使用環(huán)境，對(duì)器件封裝內(nèi)部氣氛變化情況進(jìn)行全面分析，明確器件內(nèi)部氣氛的來(lái)源，從而獲得產(chǎn)品的準(zhǔn)確信息，提前暴露封裝可靠性的缺陷，從而采取針對(duì)性高效率的解決措施［8-9］，在封裝早期就獲得高可靠性的氣密封光電耦合器，滿足長(zhǎng)期貯存的要求。

［1］何民才，黃啟俊.關(guān)于間接耦合光電探測(cè)器的存疑點(diǎn)剖析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，11（1）：46-54.

［2］吳海峰，翟憲振，羅向東.GaN基APD日盲紫外探測(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2013，36（5）：656-661.

［3］胡琳，李應(yīng)輝，張怡，等.光電耦合器內(nèi)部水汽含量控制［J］.半導(dǎo)體光電，2005（3）：202-204.

［4］肖祥正，劉玉魁，談治信，等.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.國(guó)防工業(yè)出版社出版，2004：98-103.

［5］Greenhouse H.Hermeticity of Electronic Packages［M］.Elsevier（Singapore）Pte Ltd.，2000：96-98，107.

［6］David R L.Handbook of Chemistry and Physics［M］.The Chemi?cal Rubber Company，2002：15-23.

［7］楊少華，李坤蘭.光電耦合器的長(zhǎng)期貯存退化特性分析［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2013（1）：27-30.

［8］談侃侃，楊世福，李茂松，等.混合微電路內(nèi)部水汽含量控制技術(shù)［J］.微電子學(xué)，2014（4）：546-549，554.

［9］王林，趙宇軍，黃先奎，等.集成電路內(nèi)部水汽含量的控制［J］.微電子學(xué)，2003（2）：121-123.

周 帥（1984-），男，漢族，貴州都勻人，工業(yè)和信息化部電子第五研究所，碩士，工程師，現(xiàn)從事電子元器件檢測(cè)與可靠性工作，zs5h@163.com。

Research on the Change of Internal Long-Term Storage Atmosphere for Photoelectric Coupler*

ZHOU Shuai1*，ZHENG Dayong1，OU Yi2，CHEN Haixin1
（1.China Electronic Product Relibility and Environmental Testing Research Institute，Guangzhou 510610，China；2.The forty-fourth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Chongqing 400065，China）

According to the internal gas flow principle of hermetic sealing device，the author first analyzed the ini?tial state of the internal atmosphere content of photoelectric coupler and predicated the change status of long-term storage.Then，the prediction results verified through the internal atmosphere analyzer，proved that the gas flow theo?ry could effectively predict the internal atmosphere content sealed in the photoelectric coupler and expose the weak links of encapsulation process in the initial stage of detection.Besides，analyzed the relationship between the mea?suring leakage rate and the actual leak rate，suggestions were proposed for prediction accuracy of internal atmo?sphere long-term storage change in the photoelectric coupler.

photoelectric coupler；long-term storage；gas flow principle；internal atmosphere change

TN307

A

1005-9490（2016）06-1292-05

4250

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.003

項(xiàng)目來(lái)源：廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015A030310331，2015A030306002）

2015-12-28 修改日期：2016-01-31