器件內(nèi)部水汽含量檢測技術(shù)與分析

潘廷龍+梁偉明+王濤

[摘 要]電子器件內(nèi)部水汽含量、有害氣氛的檢測及分析，一直是國內(nèi)氣密封裝電子器件的難題。由于對器件內(nèi)部水汽含量、有害氣氛無法進(jìn)行檢測及分析，就很難保證器件的封裝質(zhì)量。器件內(nèi)部水汽、有害氣氛導(dǎo)致器件失效，這是影響國內(nèi)電子元器件使用可靠性的主要因素之一。本文主要對檢測技術(shù)與控制方法進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞]電子器件 水汽含量 檢測技術(shù)

中圖分類號：TU803 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）45-0041-01

引言

密封電子元器件內(nèi)部如果存在水汽、氧化性氣體、還原性氣體、兩性氣體和有機氣體等，對于內(nèi)部有極性或有觸點的電子元器件就會產(chǎn)生短路、電遷移、污染和腐蝕等危害，特別在電應(yīng)力、溫度應(yīng)力作用下，這種影響和危害還會加劇，導(dǎo)致電參數(shù)漂移或功能喪失，為此，要全面了解內(nèi)部水汽含量的檢測原理以及正確掌握檢測方法，是準(zhǔn)確測定密封器件內(nèi)部水汽及其它有害氣體含量的重要技術(shù)保證。

一、內(nèi)部水汽的來源

密封元器件內(nèi)部水汽的來源主要有：一是封入密封腔體的保護氣體，如氮氣中的水汽；二是密封元器件內(nèi)部的各種零部件表面吸附的水；三是密封元器件內(nèi)部使用的有機材料經(jīng)密封前較高溫度較長時間的焙烘，在元器件密封后的篩選和貯存過程中分解出的水，或有機材料中的碳?xì)浠衔锱c氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水，逐漸釋放至腔體。密封元器件內(nèi)部使用的密封元器件內(nèi)部超標(biāo)水汽的慢泄漏，也起類似的作用；周圍環(huán)境中的水汽和氧，在貯存中通過密封元器件外殼上的微小漏孔逐漸進(jìn)入密封腔體。

采用相同材料、結(jié)構(gòu)和工藝的同批密封元器件，腔體內(nèi)水汽含量常出現(xiàn)幾倍甚至十幾倍的差異，主要原因常是：漏率雖然合格，但漏率數(shù)值相差較大。漏率偏大是造成密封后篩選和貯存期間元器件內(nèi)部水汽含量超標(biāo)的重要原因。

二、水汽含量檢測原理

1、采用質(zhì)譜分析法來測定器件內(nèi)部的水汽含量。其工作原理是刺穿樣品后將器件內(nèi)部所體抽入真空腔內(nèi)，對該氣體進(jìn)行離子化后，利用離子在電場或磁場中的運動特性，把離子按質(zhì)荷比分開，并按質(zhì)荷比大小形成質(zhì)譜，通過計算機將測得的質(zhì)譜與已知的質(zhì)譜庫進(jìn)行對比篩選計算，從而得到相關(guān)氣體的組成和體積百分含量，同時也就得到其中的水汽含量。

2、采用累積計算50℃時干燥的載體氣體收集水汽的方法來測定器件內(nèi)部的水汽含量的。其工作原理是刺穿樣品后通過流動的干燥運載氣體將器件內(nèi)氣體攜出，利用濕度傳感器和電子積分檢測器累積計算攜出的水汽的絕對含量，并通過計算得到被測器件中的氣體重量，然后再正得到水汽含量的相對值。

3、通過測量已校準(zhǔn)的濕度傳感器或集成電路芯片響應(yīng)的方法來測定器件內(nèi)部的水汽含量的。其工作原理是預(yù)先將濕度傳感器或集成電路芯片的敏感參數(shù)與檢測原理1中的質(zhì)譜儀所測試的水汽含量建立一一對照的關(guān)系，然后將其密封在器件封殼內(nèi)，并與封裝外部的引線端相連接，通過測試濕度傳感器或集成電路芯片的敏感參數(shù)即可了解器件內(nèi)的水汽含量情況。

三、器件內(nèi)部水汽含量檢測技術(shù)與分析

1、內(nèi)部水汽含量檢測

水汽含量高會引起光電藕合性能參數(shù)不穩(wěn)定，尤其是輸入輸出反向漏電流，絕緣電阻和傳輸電流比等參數(shù)對水汽都較敏感。水汽含量高會降低光電禍合器的使用與貯存可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，嚴(yán)重時還會使光電禍合器內(nèi)裝芯片鋁金屬化系統(tǒng)或鋁內(nèi)引線被腐蝕甚至開路。在對樣品的解剖分析過程中，樣品內(nèi)部的硅芯片表面鋁金屬化層因水汽含量高而產(chǎn)生了腐蝕，樣品的LED反向電流及輸出端的暗電流開封后，鋁層因干燥度的變化而比開封前有較明顯的減小。

無論是硅芯片鋁金屬化層出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，還是暗電流在開封前后的明顯變化，都證實了封裝內(nèi)部水汽會對光電藕合器產(chǎn)生不良的影響和危害。

2、內(nèi)部殘存氣氛的檢測方法

氣密封器件內(nèi)部殘存氣體的檢測，采用內(nèi)部氣氛分析儀進(jìn)行，其主要原理是從氣密封器件內(nèi)部取樣后進(jìn)行電離，然后采用四級質(zhì)譜儀進(jìn)行質(zhì)量分離計數(shù)，最后給出各種氣體的摩爾體積比，對于數(shù)據(jù)庫中沒有的氣體，采用N2進(jìn)行歸零。在此過程中，取樣和數(shù)據(jù)分析是保證內(nèi)部殘存氣氛檢測準(zhǔn)確性的關(guān)鍵技術(shù)。

取樣技術(shù)直接關(guān)系到檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，取樣的關(guān)鍵在于穿刺面的選取、穿刺力度和樣品的有效固定。對于有平整外表面的氣密封器件，將樣品某個平整的外表面通過O型密封圈連接到內(nèi)部氣氛分析儀上，再將O型密封圈內(nèi)部樣品表面附近連同整個取樣通道均抽成真空，然后用穿刺鋼針在該表面扎一個小孔進(jìn)行取樣測試。而對于樣品較小或沒有可以利用的穿刺平面的器件，需將樣品放入一個密封的特制夾具內(nèi)，夾具有一個孔隙可以通過O型密封圈連接到測試設(shè)備的取樣臺上，將夾具內(nèi)腔以及整個取樣通道都抽成真空狀態(tài)后，用穿刺鋼針在樣品外表面扎一個小孔進(jìn)行取樣測試。穿刺力的掌握主要靠經(jīng)驗積累，既要扎穿樣品又不能導(dǎo)致樣品表面出現(xiàn)大的變形而漏氣。

對檢測結(jié)果進(jìn)行充分的數(shù)據(jù)分析，才能有效判斷產(chǎn)品批次的內(nèi)部殘存氣體的質(zhì)量狀況。僅得到由內(nèi)部氣氛分析儀自動計算出的各種氣體的摩爾體積比是沒有意義的，對企業(yè)單位的指導(dǎo)作用也是有限的，只有對數(shù)據(jù)進(jìn)行充分、細(xì)致分析，才能有效判斷該產(chǎn)品批的質(zhì)量狀況。

3、氦質(zhì)譜漏率檢測方法

元器件密封以后，進(jìn)行漏率檢測，包括細(xì)檢漏和粗檢漏。細(xì)漏可以使用放射性同位素，但涉及安全性且配備該種設(shè)備的單位較少，所以難以廣泛采用.通常細(xì)檢漏采用氮質(zhì)譜檢漏儀。

密封元器件的氮質(zhì)譜檢漏，又分為在元器件密封后進(jìn)行氮加壓壓入氮氣的加壓法和在密時充入的保護氣體中加入一定比例氮氣的充入法，密封時充入一定比例的氦氣，密封后在規(guī)定的最短停頓時間與最長停頓時間之間進(jìn)行拒收判據(jù)R的氦質(zhì)譜細(xì)檢漏，再進(jìn)行粗檢漏。這樣可提高檢測靈敏度，從根本上保證元器件的密封性，有效阻止在篩選、檢驗試驗、貯存和使用過程中水汽的進(jìn)入。

為了避免檢漏中氦吸附漏率的影響，在輕氟油中進(jìn)行氣泡檢漏并消除表面吸附的氦。這種方法亦可有效地消除氦吸附漏率。

四、內(nèi)部殘存氣氛的控制方法

控制氣密封器件內(nèi)部氣氛含量的過程關(guān)鍵是控制器件內(nèi)部殘存氣體的產(chǎn)生，這需要多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相互配合，并且要求產(chǎn)品內(nèi)部所使用的材料釋氣量越少越好?？刂品椒ㄖ饕幸韵聨追矫妫?/p>

1、填充氣體，填充氣體的質(zhì)量需要保證。在生產(chǎn)的初始狀態(tài)或工藝改變時，通過取填充氣體的樣本檢測，可以有效地保證填充氣體的質(zhì)量。

2、清洗，電子元器件管殼、芯片等部件，在使用前需要進(jìn)行徹底的清洗，并且不留清洗劑。

3、烘培和釋氣，封裝前需要有充分的烘培和釋氣過程，管殼、芯片和材料等在空氣中長期放置吸附了大量的潮氣等有害氣體，而封裝使用的聚合材料的氣體釋放是個緩慢的過程，高溫烘烤是比較有效的方法，烘烤時間的確定可以結(jié)合檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，在保證質(zhì)量的前提下，盡量降低生產(chǎn)成本。

4、封裝環(huán)境，封裝環(huán)境需要封閉，烘培和釋氣后的產(chǎn)品不可在空氣中長期放置，充入填充氣體后必須在填充氣體環(huán)境中封裝，中途不可有與空氣接觸的不封閉或半封閉現(xiàn)象。

5、內(nèi)部殘存氣氛的置換，在封裝過程中，盡量實現(xiàn)電子元器件內(nèi)部的氣氛被填充氣體全部置換，采用抽真空、充入填充氣體的方法是必要的對于要求嚴(yán)格的產(chǎn)品，可以重復(fù)此過程。該過程參數(shù)的設(shè)置需要通過檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，合理的置換過程能有效降低生產(chǎn)成本并保產(chǎn)品質(zhì)量。

結(jié)語

氣氛檢測技術(shù)是氣密封器件內(nèi)部檢測技術(shù)的核心，有效的殘存氣氛檢測技術(shù)和可靠的數(shù)據(jù)分析，是開展內(nèi)部殘存氣氛控制技術(shù)的前提；另外內(nèi)部殘存氣氛控制的方法又將會影響到其檢測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果。只有將內(nèi)部殘存氣體檢測技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合，才能獲得長壽命、高可靠氣密封器件。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳三廷等.七專密封半導(dǎo)體器件內(nèi)部水汽含量檢測與控制技術(shù)研究[R]廣州：信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所，199.2.endprint