小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具優(yōu)化研究

譚驍洪，邱 盛，羅 俊，黃姣英，邢宗鋒，李曉紅，鄧永芳

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060； 2.北京航空航天大學(xué)，北京 100089）

小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具優(yōu)化研究

譚驍洪1，邱 盛1，羅 俊1，黃姣英2，邢宗鋒1，李曉紅1，鄧永芳1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060； 2.北京航空航天大學(xué)，北京 100089）

簡(jiǎn)要介紹了小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果的主要影響因素，研究分析了當(dāng)前小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具存在的缺陷，明確提出了小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具的優(yōu)化思路和設(shè)計(jì)模型，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

小腔體器件；內(nèi)部氣氛檢測(cè)；夾具優(yōu)化

引言

長(zhǎng)期以來(lái)，電子元器件內(nèi)部氣氛分析技術(shù)一直是電子行業(yè)、航空航天和國(guó)家重點(diǎn)工程急需解決和控制的技術(shù)之一[1]。其中過(guò)量的內(nèi)部水汽含量會(huì)引起包括腐蝕、離子粘污、電遷移、金屬遷移、機(jī)械損傷、介質(zhì)分層等失效模式[2]，而氫氣則會(huì)引起硅、稼、砷等化合物器件的材料變形和氧化反應(yīng)等器件失效[3]。

隨著對(duì)裝備小型化 的要求，研制小腔體電子元器件的企業(yè)越來(lái)越多，僅僅生產(chǎn)軍用小腔體元器件的企業(yè)就有中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所、第二十六研究所，航天科技集團(tuán)公司第七七一所等等。

但是國(guó)內(nèi)對(duì)于內(nèi)腔體積＜0.03 cc的小腔體器件的內(nèi)部氣氛檢測(cè)技術(shù)研究較為滯后，幾乎不能保證小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對(duì)該類器件內(nèi)部氣氛的控制就很難進(jìn)行，該類器件的可靠性勢(shì)必存在隱患。

影響小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果的因素很多，而其中最為明顯也最為重要的影響因素?zé)o疑是試驗(yàn)夾具。本文針對(duì)業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的幾類小腔體器件，包括陶瓷四面引線扁平封裝ST31（0.003 cc）、陶瓷無(wú)引線片式載體外殼CQFN1 6（0.005 cc）、陶瓷雙面引線扁平外殼FP08（0.008 cc）、表貼晶振ZPB-26（0.03 cc）等器件的內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具進(jìn)行研究，分析其存在的缺陷，針對(duì)缺陷提出解決方法，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具

1．1 小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)密封不良

在內(nèi)部氣氛檢測(cè)中，需要將檢測(cè)樣品固定在檢測(cè)臺(tái)上，并提供一個(gè)平面（待穿刺面）堵住穿刺口以達(dá)到密封效果，然后抽真空才能進(jìn)行檢測(cè)[6]。如圖1及圖2所示。

而微小腔體器件因?yàn)槌叽缣?，無(wú)法完全堵住穿刺口的密封圈進(jìn)行密封，導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)密封不良甚至無(wú)法密封，進(jìn)一步導(dǎo)致無(wú)法抽真空進(jìn)行內(nèi)部氣氛檢測(cè)。如圖3所示。

故小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)需要使用夾具才能進(jìn)行良好的密封，以保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1．2 小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具缺陷研究

當(dāng)前業(yè)內(nèi)使用的小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具幾乎均采用“放大”器件外殼的套入式夾具。即設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)部放置小體積器件的空腔，并在底部留有穿刺針的上下通道。如圖4所示。

圖1 內(nèi)部氣氛檢測(cè)照片（樣品安裝部分）

圖2 內(nèi)部氣氛檢測(cè)樣品安裝示意圖

圖3 ST31樣品與密封圈對(duì)比圖

圖4 小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)夾具示意圖

將夾具放置到內(nèi)部氣氛分析儀樣品安裝臺(tái)上對(duì)準(zhǔn)穿刺口后，在夾具上部用頂蓋進(jìn)行密封。如圖5所示。

該夾具的使用解決了小腔體器件尺寸太小無(wú)法完全堵住密封圈進(jìn)行密封的問(wèn)題。但是，此類夾具在使用中存在極大地缺陷。

由于夾具需要一個(gè)放置器件的空腔，器件外殼與夾具均為金屬或陶瓷類硬質(zhì)材料，器件本身很難與夾具內(nèi)腔壁完全貼合，從而存在器件外的空腔（副腔），副腔中也會(huì)存在一定氣體，這些氣體對(duì)器件本身的內(nèi)腔氣氛必然會(huì)產(chǎn)生干擾，

圖5 小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)夾具安裝圖

圖6 “副腔”擴(kuò)散模型

此外，由于副腔的存在，在穿刺針扎破器件時(shí)，器件內(nèi)部氣體不僅僅會(huì)進(jìn)入進(jìn)氣室，也會(huì)擴(kuò)散到夾具的副腔中，對(duì)于體積較小的器件，這樣的副腔已經(jīng)近似于甚至超過(guò)了器件本身內(nèi)部空腔體積，這必然會(huì)對(duì)器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果造成影響。如圖6所示。

入口壓力值反映了采集氣體量以及氣體進(jìn)入進(jìn)氣室、真空傳輸通道的壓力濃度。標(biāo)準(zhǔn)體積0.03 cc、內(nèi)部氣壓1 atm的5 000 ppm水汽校準(zhǔn)器在進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)入口壓力值在2.5左右的水平，對(duì)比分析另一同體積檔器件——ZPB-26金屬封裝表貼型晶振，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1atm封裝，在使用輔助密封夾具進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其入口壓力值在1.0 torr左右水平。

從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)看這一入口壓力值是偏低的，從輔助夾具方面分析，我們可以認(rèn)為，“副腔”導(dǎo)致了器件被刺穿時(shí)一定量氣體的擴(kuò)散，同時(shí)延遲了氣體采集速率。

2 夾具的優(yōu)化

基于以上原因，本文對(duì)小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具的優(yōu)化思路是：盡可能減小夾具的副腔，器件與夾具盡量貼合。

2．1 無(wú)引線類夾具的優(yōu)化

通過(guò)綜合考慮夾具的設(shè)計(jì)需求以及實(shí)際問(wèn)題，對(duì)于陶瓷無(wú)引線片式載體和表貼晶振封裝，從“副腔”的形成入手優(yōu)化小腔體器件輔助夾具，避免器件在被扎破后器件內(nèi)部空腔氣體向其它方向擴(kuò)散，使其最“效率”地進(jìn)入進(jìn)氣室。具體方法是通過(guò)將其氣體采集時(shí)的“外擴(kuò)”改為“內(nèi)擴(kuò)”：將器件密封范圍減小，限制在刺針扎破器件采集氣體的局部，使氣體直接進(jìn)入進(jìn)氣室。

優(yōu)化后夾具如圖7所示。

優(yōu)化后夾具安裝方法如圖8所示。

為保證夾具底部覆壓強(qiáng)度，夾具材料選用金屬材料304不銹鋼，器件容納腔內(nèi)密封襯底材料為與“O”型密封圈相同材料的硅橡膠（VMQ）。

圖7 優(yōu)化后的無(wú)引線類夾具剖面圖

2．2 有引線類夾具的優(yōu)化

由于部分有引線封裝器件尺寸非常小，甚至小于穿刺針直徑，故無(wú)法應(yīng)用上面優(yōu)化后的夾具。針對(duì)針對(duì)陶瓷四面引線扁平封裝和陶瓷雙面引線扁平封裝存在外引線的特點(diǎn)，對(duì)穿刺通道的直徑進(jìn)行擴(kuò)大，將器件本體直接置于穿刺通道內(nèi)，留引腳于夾具內(nèi)用于固定，使器件本體不再占用夾具內(nèi)腔容積，避免了副腔的產(chǎn)生，最大程度上減小夾具副腔對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

優(yōu)化后夾具如圖9所示。

為進(jìn)一步減小引線引起的夾具縫隙，夾具材料選用較軟的金屬材料硬鋁，器件容納腔與覆壓蓋板之間采用原廠的“O”型密封圈進(jìn)行密封。

圖8 優(yōu)化后的無(wú)引線類夾具使用模型

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖9 有引線類夾具設(shè)計(jì)圖

在夾具優(yōu)化完成后，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)夾具優(yōu)化后的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由于兩類夾具均以減少夾具副腔為思路進(jìn)行優(yōu)化，而腔體越大內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果相對(duì)越準(zhǔn)確，故試驗(yàn)使用兩種夾具對(duì)表貼晶振器件ZPB-26（0.03 cc）進(jìn)行內(nèi)部水汽含量測(cè)試并對(duì)比水汽測(cè)試結(jié)果。

圖10 優(yōu)化后的無(wú)引線類夾具使用模型

試驗(yàn)控制了其它因素，盡可能減少了除輔助夾具差異以外的影響。為減少工作量縮短時(shí)間周期，對(duì)比試驗(yàn)中用于對(duì)比的原始夾具ZPB-26試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用了歷史數(shù)據(jù)（48批次），并剔除了其中器件質(zhì)量問(wèn)題或操作失誤而造成的明顯異常數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中以3只器件為一組，使用優(yōu)化后的夾具進(jìn)行的9組試驗(yàn)。

圖11、圖12對(duì)使用兩種夾具進(jìn)行的ZPB-26水汽含量測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理統(tǒng)計(jì)，對(duì)入口壓力值和水汽含量值這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)繪制了離散曲線圖。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析研究，得到了以下結(jié)果：

1）入口壓力值（上曲線）差異

使用原始夾具對(duì)ZPB-26進(jìn)行內(nèi)部水汽含量測(cè)試，入口壓力值平均為1.23 torr，優(yōu)化后夾具進(jìn)行測(cè)試，入口壓力值平均為2.49 torr。

根據(jù)0.03 cc標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)入口壓力分析，校準(zhǔn)時(shí)入口壓力值為2.2 torr左右。由此可見(jiàn)，使用優(yōu)化后的夾具進(jìn)行水汽測(cè)試，結(jié)果更接近實(shí)際。

2）水汽值（下曲線）水平

使用原始夾具和優(yōu)化后夾具對(duì)ZPB-26進(jìn)行內(nèi)部水汽含量測(cè)試，所得到的水汽含量值分別為795 ppm和1598 ppm，差別比較大。

ZPB-26屬于金屬氮?dú)夥庋b，相較于陶瓷封裝器件，其內(nèi)部水汽含量一般比較高。另外ZPB-26水汽含量水平基本是在1 000 ppm以上的，因此1 598 ppm是更接近與實(shí)際值的。

3）水汽值離散性

首先是水汽值分布區(qū)間，使用原有夾具測(cè)試得到的水汽值分布為[100, 2342]（低于100按100處理），優(yōu)化輔助夾具后測(cè)試值在[947, 2548]；其次是標(biāo)準(zhǔn)方差，優(yōu)化輔助夾具前后分別為465和416；反映其離散性的變異系數(shù)前后分別為58.49 % 和 26.03 %。

圖11 ZPB-26優(yōu)化前輔助夾具試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖12 ZPB-26優(yōu)化前輔助夾具試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在測(cè)試結(jié)果離散性方面，優(yōu)化后的輔助夾具所進(jìn)行的ZPB- 26水汽含量試驗(yàn)水汽結(jié)果一致性要更好。

4 結(jié)論

小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)試驗(yàn)夾具的優(yōu)化，最大程度上減少了使用夾具造成的額外體積，優(yōu)化后夾具使小腔體器件氣體采集過(guò)程更加準(zhǔn)確。在內(nèi)部氣氛檢測(cè)過(guò)程中，使用優(yōu)化后的輔助夾具進(jìn)行試驗(yàn)，得到的入口壓力值和最終得到的水汽含量值更接近于真實(shí)水平，提高了內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，輔助夾具的優(yōu)化對(duì)小腔體器件水汽測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定性也有所改善。

然而，小腔體器件內(nèi)部氣氛檢測(cè)結(jié)果的波動(dòng)是多方面因素造成，并非只受試驗(yàn)夾具影響，因研究側(cè)重不同以及此次試驗(yàn)內(nèi)容有限，有待之后進(jìn)行更多試驗(yàn)和研究。

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[6] Oneida Research Services, Inc. Why Be Concerned About Moisture In Hermetic Packages [EB/OL]. http://www.orsfr.com/get_file. php?file_name=ORS-Why_Be_Concerned_About_Moisture. pdf.

[7] 許桂芳.元器件的封裝氣氛及內(nèi)部材料物質(zhì)對(duì)其內(nèi)部水汽含量的影響[J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī), 2004,4(3,4):42-44.

Fixture Optimization Research on Internal Atmosphere Test of Cavity Device

TAN Xiao-hong1，QIU Sheng1，LUO Jun1，HUANG Jiao-ying1，XING Zong-feng1，LI Xiao-hong1，DENG Yong-fang1
(1.Sichuan Institute of Solid-State Circuits, China Electronics Technology Group Corp , Chongqing 400060;2.Beihang University, Beijing 100089)

This paper briefly introduces the main influencing factors of cavity device internal atmosphere detection results, analyses the defects of cavity device internal atmosphere tests fixture, clearly puts forward the optimization idea and design model of fixture optimization of cavity device internal atmosphere test, and improve the accuracy and stability of test results.

cavity device；internal atmosphere test；fixture optimization

TN306

A

1004-7204(2017)04-0143-04

譚驍洪，男，工程師，主要從事電子元器件可靠性及內(nèi)部氣氛檢測(cè)研究工作。