0.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量測試方法研究

周帥　鄭大勇　陳海鑫　陳偉

摘要：根據(jù)氣密封器件內(nèi)部氣氛含量的測試原理，從0.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量測試的取樣、校準(zhǔn)及夾具等方面分析造成0.01cc（1cc=1cm³）小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量測試結(jié)果誤差的主要因素，其中夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計是造成誤差的最大影響因素。隨后從縮小測試夾具腔體的密封范圍、減少穿刺后的內(nèi)部氣氛向外擴(kuò)散、提高0.01cc小腔體內(nèi)部氣氛進(jìn)入設(shè)備分析室的濃度等方面對夾具優(yōu)化設(shè)計。最后采取同批次型號的0.01cc小腔體器件進(jìn)行新舊夾具分組比對分析，從測試數(shù)據(jù)的離散性、設(shè)備的端口氣氛濃度數(shù)據(jù)分析可見，經(jīng)過優(yōu)化的夾具能夠有效提高0.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量測試的準(zhǔn)確性。這一改進(jìn)途徑也可為提高其他氣密封器件內(nèi)部氣氛含量檢測的可行性及準(zhǔn)確性提供思路。

關(guān)鍵詞：內(nèi)部氣氛含量；小腔體器件；誤差分析；氣密性封裝；夾具設(shè)計

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0020-06

0引言

氣密封器件的封裝內(nèi)部氣氛如水汽、氧氣、氫氣及二氧化碳過高，會對器件內(nèi)部產(chǎn)生腐蝕、參數(shù)漂移、電遷移等危害，在外部因素的作用下，這些危害或潛在缺陷還會惡化，導(dǎo)致器件功能喪失，因此內(nèi)部氣氛含量是評價氣密封器件封裝可靠性的重要指標(biāo)之一。從1998年至今，只有美國ORS實(shí)驗(yàn)室掌握了動態(tài)穿刺取樣等關(guān)鍵技術(shù)，因此國內(nèi)外目前普遍采用該實(shí)驗(yàn)室制造的IVA-210s內(nèi)部氣氛分析儀對氣密封器件封裝進(jìn)行內(nèi)部氣氛含量測試，導(dǎo)致國內(nèi)外對于內(nèi)部氣氛含量測試研究主要集中在器件內(nèi)部各種氣氛含量的控制、封裝工藝參數(shù)對內(nèi)部氣氛的影響以及氣氛超標(biāo)的來源分析等方面，而對于內(nèi)部氣氛含量如何測試的方法研究相對較少。

一般情況下，0.03～0.1cc腔體的氣密封器件測試內(nèi)部氣氛時均需要采用輔助夾具，保證在高真空度密封狀態(tài)下與設(shè)備連接后完成測試。但輔助夾具的設(shè)計及使用在行業(yè)內(nèi)一直缺乏規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致各單位的測試結(jié)果差異性較大。近年來，隨著氣密封器件的集成度越來越高，輔助夾具對于0.01cc的小腔體氣密封器件的測試更是無法滿足要求，同時0.01cc腔體也達(dá)到了設(shè)備的檢測極限值。在對小腔體氣密封器件進(jìn)行內(nèi)部氣氛測試時，往往會因?yàn)闇y試操作不規(guī)范、輔助夾具設(shè)計不夠合理等原因，造成測試結(jié)果存在較大誤差或無法測試等問題。因此分析造成誤差的原因，對測試結(jié)果影響最大的夾具優(yōu)化改進(jìn)，對提高測試的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)同類型內(nèi)部氣氛測試具有重要有意義。

10.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量測試誤差分析

氣密封器件的內(nèi)部氣氛含量測試屬于破壞性試驗(yàn)，主要通過內(nèi)部氣氛含量測試儀（IVA-210s）進(jìn)行。該儀器由穿刺進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、四極質(zhì)譜、二次電子倍增器、真空系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成（如圖1所示），直接對氣密封器件內(nèi)部各種氣氛進(jìn)行定量分析。測試的關(guān)鍵及設(shè)備的核心技術(shù)在于需要有效地在高真空狀態(tài)下穿刺被測樣品殼體動態(tài)以收集內(nèi)部氣氛含量。然而在使用內(nèi)部氣氛儀測試小腔體氣密封器件時，容易受測試樣品外形尺寸特殊性、測試人員操作規(guī)范性、夾具誤差等多種因素影響，導(dǎo)致出現(xiàn)測試誤差。

1.1小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛測試過程誤差分析

氣密封器件內(nèi)部氣氛含量測試過程中，取樣是保證內(nèi)部氣氛測試準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。取樣的關(guān)鍵在于穿刺面的選取、穿刺后氣氛的收集（端口壓強(qiáng)值）和樣品的有效固定。對于有平整外殼的氣密封器件，將樣品某個平整外殼表面通過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真空（真空度達(dá)10^-8Pa），然后用穿刺鋼針在該表面扎一個小孔進(jìn)行取樣測試（如圖2所示）。

對于0.01cc小腔體氣密封器件，由于被測樣品封裝較小或是沒有可以利用的穿刺平面（多為表面易碎的玻璃或陶瓷封蓋），需將樣品放入一個密封的夾具內(nèi)，再通過O型密封圈連接到設(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殼表面穿刺取樣測試，對比大腔體常規(guī)氣密封器件，這一操作難度較大，容易在操作過程中出現(xiàn)失誤或偏差。

1.2小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛測試校準(zhǔn)誤差分析

目前在每次測試時，測試人員都需要針對不同要求的氣氛（如水汽、氧氣、二氧化碳及氫氣等），選擇與實(shí)際氣密封器件相近的體積程序文件及校準(zhǔn)腔體模塊分別進(jìn)行測試，保證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

由于0.01cc小腔體氣密封器件測試時已經(jīng)接近設(shè)備的極限值，從大量的測試數(shù)據(jù)可知，使用0.01cc體積檔校準(zhǔn)的測試結(jié)果有較大的波動，并非一次修正就能達(dá)到規(guī)定校準(zhǔn)偏差要求，往往需要多次校準(zhǔn)及修正（如表1所示，1torr=133.322 Pa），因此對于0.01cc的器件測試校準(zhǔn)難度更大。此外，密封器件的體積各異，但體積程序及校準(zhǔn)腔體模塊卻只有固定的幾種體積檔位，因此需要測試前采用不同的體積檔校準(zhǔn)，否則會導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的離散性較大，無法滿足校準(zhǔn)的10%偏差以及水汽結(jié)果20%的偏差要求（如表2所示），造成0.01cc小腔體氣密封器件測試內(nèi)部氣氛的誤差。

1.3小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛測試夾具誤差分析

內(nèi)部氣氛含量測試輔助夾具的主要作用是使器件的試驗(yàn)氣體收集面形成規(guī)則平面，以便在保證密封性的同時進(jìn)行測試。器件置于輔助夾具中，在真空狀態(tài)下與穿刺取樣臺密封連接。為了便于取放器件，在輔助夾具的內(nèi)腔四周通常都留有一定余量，因此在抽真空時，夾具內(nèi)部及器件與輔助夾具間隙也處于真空狀態(tài)，測試時形成了較大的多余腔體。這些輔助夾具的缺陷對測試結(jié)果容易造成極大的影響，在穿刺器件時，器件的內(nèi)部氣氛會充滿這些間隙，導(dǎo)致對氣體收集形成了偏差。而小腔體器件自身內(nèi)部氣氛含量少，采集分析過程更為敏感，易受到干擾。

測試設(shè)備的入口壓力值反映了采集氣體量以及氣氛進(jìn)入真空系統(tǒng)的壓力濃度，從大量測試器件內(nèi)部氣氛的入口壓力值數(shù)據(jù)可知，夾具的多余腔體導(dǎo)致了器件被穿刺時一定量氣氛擴(kuò)散，延遲了氣氛采集速率，從而造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或是無數(shù)據(jù)等現(xiàn)象的發(fā)生。同時標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確規(guī)定夾具的基本要求，測試夾具也是各式各樣，從而導(dǎo)致測試結(jié)果存在明顯差異，這種現(xiàn)象在0.01cc小腔體器件中尤為明顯。

1.4小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛測試誤差綜合分析

從大量的試驗(yàn)證明，在保證測試操作過程正確及多次校準(zhǔn)修正的前提下，0.01cc小腔體器件內(nèi)部氣氛含量測試的準(zhǔn)確性較差，同批次的內(nèi)部水汽含量數(shù)據(jù)之間經(jīng)常相差3～4倍（典型數(shù)據(jù)如表3所示），由此可知夾具的多余腔體是影響測試結(jié)果的主要原因。

20.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量新型測試夾具設(shè)計

為了提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，可根據(jù)夾具多余腔體的形成原理，改良夾具設(shè)計，避免器件在被穿刺后內(nèi)部氣氛向外擴(kuò)散，將器件密封范圍減小，限制在穿刺針扎破器件采集氣氛的局部，使氣氛高效地進(jìn)入真空系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計思路建模如圖3所示。

選用內(nèi)腔體積約為0.019cc的樣品進(jìn)行設(shè)計夾具。輔助夾具的關(guān)鍵參數(shù)為：1）材料為鋁合金，夾具空腔內(nèi)的密封襯底材料為0.5mm厚并具有彈性的硅橡膠，作用為測試輔助密封，外形尺寸與空腔尺寸配合；2）穿刺孔徑及深度，孔徑及深度尺寸只需滿足穿刺針通過即可：3）本文采用的小腔體樣品尺寸為3.20mm×2.50mm×0.85mm；原測試夾具空腔尺寸為18.30mm×11.20mm×18.30mm，為了提高測試精度，盡量縮小夾具的內(nèi)部腔體尺寸，因此設(shè)計優(yōu)化夾具空腔尺寸為3.25mm×2.56mm×0.9mm（如圖4所示），比被測樣品外形封裝體積大10%，體積與原夾具腔體體積相比縮小至1/500。

3 0.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛含量新型測試夾具驗(yàn)證分析

使用改良優(yōu)化后的夾具進(jìn)行0.01cc小腔體器件內(nèi)部氣氛含量測試驗(yàn)證分析，驗(yàn)證新型輔助夾具對測試其內(nèi)部氣氛含量的有效性及準(zhǔn)確性。

采用100只同批次的樣品，針對不同夾具，平均分為兩組，每組50只樣品進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

為了避免除夾具差異之外因素的干擾，按GJB548B——2005方法1018對設(shè)備進(jìn)行0.01cc體積檔修正校準(zhǔn)，試驗(yàn)樣品的預(yù)處理時間、溫度及測試時間均保持一致。試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5、圖5、圖6所示。

根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行綜合分析如下：

1）水汽數(shù)據(jù)離散性比對分析

從兩組測試結(jié)果比對分析數(shù)據(jù)的離散性，使用原夾具測試的內(nèi)部水汽含量數(shù)值分布區(qū)間為[140，2509]，新型夾具測試的內(nèi)部水汽含量數(shù)值分布區(qū)間為[1218，2499]。根據(jù)概率式（1）～式（3）計算兩組測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)如下：

變異系數(shù)：

C·V=S/x×100% （3）

原始夾具內(nèi)部水汽含量測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為687，變異系數(shù)為53%：新型夾具內(nèi)部水汽含量測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為396，變異系數(shù)為22%，由此可見不同新老夾具的測試數(shù)據(jù)離散性差異明顯，證明新型夾具的測試數(shù)據(jù)一致性更好。

2）測試端口壓強(qiáng)比對分析

測試端口壓強(qiáng)值是設(shè)備采集被測樣品的氣體流量進(jìn)入質(zhì)量分析室的濃度，在保證測試過程一致的情況下，新型夾具在減少氣氛擴(kuò)散，提高氣氛濃度方面更具優(yōu)越性。原始夾具測試端口壓強(qiáng)平均值為約0.4torr，新型夾具測試端口壓強(qiáng)平均值約為0.6torr與標(biāo)準(zhǔn)檔腔體測試端口壓強(qiáng)相近，可見使用新型夾具測試0.0lee小腔體樣品的內(nèi)部氣氛含量更準(zhǔn)確。

通過以上的綜合分析可知，縮小夾具的內(nèi)部腔體（體積跟原夾具腔體體積相比縮小至1/500），對于提升0.01cc小腔體器件內(nèi)部氣氛含量的測試效果顯著。

4結(jié)束語

在目前國內(nèi)尚未有基于飛行時間質(zhì)譜儀的新型小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛測試儀，只能在IVA-210s內(nèi)部氣氛分析儀檢測設(shè)備能力的情況下，通過對0.01cc小腔體氣密封器件內(nèi)部氣氛測試過程的誤差分析，找到影響測試誤差的主要因素為原始夾具的設(shè)計。通過運(yùn)用樣品被穿刺后內(nèi)部氣氛向外擴(kuò)散的原理，對夾具進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，使夾具的內(nèi)部腔體體積控制在被測樣品體積的110%之內(nèi)，從而限制穿刺針扎破器件采集氣氛的范圍，使氣氛高效進(jìn)入分析系統(tǒng)。經(jīng)過對比驗(yàn)證，新型夾具能夠提高0.01cc小腔體氣密封器件檢測的可行性及準(zhǔn)確性，同時通過優(yōu)化夾具來提高測試準(zhǔn)確率的這種方法，也為提高非線性尺寸、特殊封裝器件的內(nèi)部氣氛含量測試準(zhǔn)確性提供了思路。