深入理解光學(xué)檢漏：漏率計算及其他

葛秋玲，肖漢武

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 概述

密封性能是高可靠微電子封裝器件可靠性試驗中一個很重要的技術(shù)指標(biāo)。對于具有空腔封裝結(jié)構(gòu)的微電子器件，通過密封試驗（俗稱檢漏）以確定器件封裝的氣密性。

微電子器件封裝的檢漏技術(shù)主要包括示蹤氣體氦（He）細(xì)檢漏、放射性同位素細(xì)檢漏、碳氟化合物粗檢漏、染料浸透粗檢漏、增重粗檢漏及光學(xué)粗/細(xì)檢漏等多種形式，其中示蹤氣體氦（He）細(xì)檢漏（俗稱氦質(zhì)譜檢漏）和碳氟化合物粗檢漏（俗稱氟油檢漏）是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的檢漏技術(shù)。

由于氦氣分子小，滲透速率快，決定了氦質(zhì)譜檢漏只能確定小于1 Pa·cm3/s的較小漏率，即所謂細(xì)檢漏。相反，氟油檢漏只能確定大于1 Pa·cm3/s的較大漏率，即粗檢漏[1]。檢漏過程中需遵循先細(xì)檢漏后粗檢漏的原則，否則容易出現(xiàn)漏孔堵塞而呈現(xiàn)密封合格的假象。也就是說，一個完整的檢漏過程須分細(xì)檢漏和粗檢漏兩步完成。

眾所周知，我國國家標(biāo)準(zhǔn)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于密封試驗的方法及程序直接引用了美國軍用標(biāo)準(zhǔn)STD-MIL-883中的相應(yīng)條款，在最新的STD-MIL-883J中給出了光學(xué)檢漏的漏率計算公式。本文對該公式的推導(dǎo)過程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并對光學(xué)檢漏測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及光學(xué)檢漏方法的優(yōu)勢和不足進(jìn)行了討論。

2 光學(xué)檢漏過程介紹

光學(xué)檢漏（Optical Leak Test，簡稱OLT）是將待檢測器件置于一個可控氣壓的檢測腔室內(nèi)，由于待檢測器件密封腔體內(nèi)外存在氣壓差異，在壓差的作用下，密封蓋板通常發(fā)生物理形變（凹陷或凸起），其形變大小與蓋板剛度相關(guān)，通過激光干涉儀測量這種在恒定氣壓下密封蓋板的物理形變變化情況，經(jīng)過計算后得出待檢測器件的漏率。圖1是光學(xué)檢漏過程示意圖。

圖1 光學(xué)檢漏的3種狀態(tài)[2]

從圖1中可以看出，對于一個密封合格器件（圖1A），當(dāng)檢漏檢測腔室內(nèi)開始增壓時，蓋板緩慢發(fā)生物理形變（內(nèi)陷）。當(dāng)腔體內(nèi)氣壓穩(wěn)定后，器件密封腔體內(nèi)外壓差保持恒定，此時蓋板物理形變達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形變量不再發(fā)生變化而達(dá)到最大；而對于一個粗漏器件（圖1B），當(dāng)檢漏檢測腔室內(nèi)開始增壓時，由于漏率較大，封裝腔體內(nèi)氣壓快速增大，蓋板內(nèi)陷很小，當(dāng)漏率足夠大時（相當(dāng)于開蓋狀態(tài)），封裝腔體內(nèi)外壓強很快達(dá)到平衡，此時內(nèi)外壓差為零，蓋板形變量最小或維持蓋板初始狀態(tài)；對于一個細(xì)漏器件（圖1C），如漏率大于5×10-3Pa·cm3/s，當(dāng)檢漏檢測腔室內(nèi)開始增壓時，封裝腔體內(nèi)外壓差最大，蓋板形變最大。在一個檢漏周期內(nèi)，隨著氣體逐漸進(jìn)入封裝腔體內(nèi)，腔體內(nèi)部壓強逐漸上升，此時腔體內(nèi)外壓差逐漸變小，蓋板形變量亦開始逐漸變小，凹陷的蓋板逐漸隆起而形變變小，當(dāng)檢漏周期足夠長時蓋板同樣會恢復(fù)至初始狀態(tài)。這3種不同狀態(tài)的蓋板形變通過光學(xué)檢漏系統(tǒng)激光干涉儀進(jìn)行精確的測量和計算并予以判斷。

3 光學(xué)檢漏漏率計算

3.1 光學(xué)檢漏中的幾個概念

3.1.1 封裝蓋板剛度

與氦質(zhì)譜檢漏方法不同，光學(xué)檢漏是通過測量密封蓋板的物理形變變化量來表征一個密封腔體內(nèi)氣體壓強的變化量，藉此間接反映密封腔體的漏率，前者是利用直接測量氦氣泄露量來表征一個密封腔體的漏氣水平，無需考慮封裝蓋板的材質(zhì)。而光學(xué)檢漏法需要知道某個封裝腔體所使用的密封蓋板材料的物理特性，這一特性即為封裝蓋板剛度。

封裝蓋板剛度通常用S來表示，單位為微米/帕（μm/Pa），其值大小與蓋板的形狀、尺寸及材料的彈性模量相關(guān)[3]。根據(jù)其量綱代表的物理意義，不難看出蓋板剛度值反映了蓋板形變與其上所施加壓強的相關(guān)性。

在實際檢測中，光學(xué)檢漏系統(tǒng)也正是通過以正弦曲線方式調(diào)整檢測腔室內(nèi)的氣壓，通過測量蓋板的相應(yīng)形變來自動計算封裝蓋板剛度值。

3.1.2 腔室壓強

腔室壓強是指光學(xué)檢漏過程中對系統(tǒng)檢測腔室內(nèi)注入一定壓強的氣體（此過程為增壓過程），增壓穩(wěn)定后腔室內(nèi)的實際氣體壓強，單位為Pa。

3.1.3 封裝腔體壓強

封裝腔體壓強是指待檢測器件封裝腔體內(nèi)的封裝氣氛壓強。光學(xué)檢漏中，在一個檢測周期內(nèi)，氦氣逐漸進(jìn)入密封不良器件封裝腔體內(nèi)使得內(nèi)部壓強增加，增加的壓強就是氦氣分壓，簡稱氦氣壓強，以PHe來表示，PHe是一個變量，在一個檢測周期內(nèi)隨時間逐漸增大。

光學(xué)檢漏中，一個密封完好（漏率小于系統(tǒng)最小可檢漏率）的器件，其封裝腔體壓強會隨著蓋板內(nèi)陷而出現(xiàn)微增（體積變小使得壓強增大），當(dāng)內(nèi)陷達(dá)到最大值時，封裝腔體壓強維持不變；對于一個存在較大漏率（粗漏）的器件，其封裝腔體壓強會迅速增大接近甚至達(dá)到與腔室壓強一致；而對于一個存在較小漏率（大于最大允許漏率，細(xì)漏）的不合格器件，其封裝腔體壓強會隨著時間推進(jìn)而出現(xiàn)緩慢的增大。

事實上，存在少量實際漏率介于系統(tǒng)最小可檢漏率和最大允許漏率之間的密封合格器件，其封裝腔體壓強同樣隨著時間推進(jìn)而緩慢增大，與細(xì)漏不合格器件的區(qū)別僅僅在于封裝腔體壓強增大速度上的差異，后者壓強增加更快，體現(xiàn)在光學(xué)檢漏中就是蓋板形變量變化更大。

3.1.4 標(biāo)準(zhǔn)漏率、測量漏率、等效標(biāo)準(zhǔn)漏率

根據(jù)GJB548B-2015《微電子器件試驗方法和程序》中方法1014.2密封中的定義[4]，標(biāo)準(zhǔn)漏率是指25℃時在高壓一側(cè)為一個大氣壓（101.33 kPa）和低壓一側(cè)為低于0.13 kPa的情況下，每秒鐘通過一條或多條泄漏通道的干燥空氣量。而測量漏率R1是指在規(guī)定的條件下，采用規(guī)定的試驗媒質(zhì)測定的給定封裝的漏率。等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L是指具有與R1同樣漏氣幾何結(jié)構(gòu)的同一種封裝，在25℃時高壓一側(cè)為一個大氣壓（101.33 kPa）和低壓一側(cè)為低于0.13 kPa的情況下，每秒鐘通過一條或多條泄漏通道的干燥空氣量。

顯然，測量漏率與試驗媒質(zhì)相關(guān)，同一種封裝采用不同測試方法時由于試驗媒質(zhì)不同，所給定的測量漏率不盡相同，而等效標(biāo)準(zhǔn)漏率則與試驗媒質(zhì)無關(guān)，故為了便于不同測試方法得到的測量漏率之間的比較，測量漏率通常要求須轉(zhuǎn)換成等效標(biāo)準(zhǔn)漏率。

3.2 漏率計算

從上述介紹可知，OLT實際上應(yīng)用了氦質(zhì)譜檢漏相同的原理，都是通過氣體加壓使得密封不良的封裝腔體的內(nèi)部壓強發(fā)生變化，OLT方法探測因封裝腔體內(nèi)部壓強變化所產(chǎn)生的蓋板形變的變化過程，間接推算封裝的實際漏率；而氦質(zhì)譜檢漏則是測量示蹤氣體氦氣在加壓后的泄壓階段氦氣從封裝腔體內(nèi)逆流的流量，以此來推算封裝的實際漏率。二者在漏率計算中都利用了相同的標(biāo)準(zhǔn)漏率計算公式。

式（1）中：R1為計算得到的測量漏率的最大允許拒收極限值，單位（Pa·cm3）/s(氦)；L 為等效標(biāo)準(zhǔn)漏率的最大允許拒收極限值，單位（Pa·cm3）/s（空氣）；PE為檢漏腔室氣體加壓壓強，單位Pa；P0為絕對大氣壓強，單位 Pa；MA為空氣的分子量（為 28.96），單位 g；M 為示蹤氣體的分子量（如氦為4），單位g；t1為受PE壓強作用的時間，單位s；t2為去除壓強后到檢漏之間的候檢時間，單位s；V為被試器件封裝的內(nèi)空腔容積，單位cm3。

光學(xué)檢漏通常采用氦氣對檢漏腔室進(jìn)行加壓，公式（1）中的PE即為腔室氦氣加壓壓強，而M=4，故（MA/M）1/2=2.69，公式（1）則可以簡化為公式（2）：

根據(jù)漏率定義可以知道，t2時刻的測量漏率為該時刻封裝腔體內(nèi)部的氦氣分壓強PHe乘以該器件的等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L并除以標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0，針對氦氣測量漏率，還應(yīng)乘上一個因子2.69，即：

根據(jù)公式（3），公式（2）可轉(zhuǎn)換成壓強表達(dá)公式（4）：

實際上，標(biāo)準(zhǔn)漏率公式（1）正是由該壓強表達(dá)公式（4）轉(zhuǎn)換而來，限于篇幅，本文對標(biāo)準(zhǔn)漏率公式（1）的推導(dǎo)過程不予贅述。

OLT采用氦氣對檢漏腔室進(jìn)行增壓時，由于整個測試周期內(nèi)檢漏腔室內(nèi)壓強維持不變，故只存在一個加壓過程，相當(dāng)于t2為零。公式（4）中t1即為測試周期，時間通常在5～20 min左右，故公式（4）可簡化為：

由于OLT測量的是對應(yīng)于氦氣的等效標(biāo)準(zhǔn)漏率，用OLHe來表示，于是公式（5）可寫成：

在OLT中，系統(tǒng)探測的實際上是蓋板形變的變化量，并非蓋板形變量，因為任何封裝的蓋板實際上本身是存在形變的，OLT技術(shù)是通過測量在恒定的外加氣體（如氦氣）壓強下封裝蓋板形變在一個檢漏周期內(nèi)的變化情況來反映腔體內(nèi)部的壓強變化，也就是增壓，即進(jìn)入腔體內(nèi)的氦氣壓強。在t時刻蓋板形變的變化量可用D來表示，蓋板剛度用S來表示，由此可以得出封裝腔體內(nèi)的壓強變化即氦氣壓強PHe，見公式（6）。

代入公式（5）后可得到關(guān)于OLT的漏率公式（7）。

以上計算中，可以知道氦質(zhì)譜檢漏中檢漏儀測量的數(shù)據(jù)為測量氦氣漏率R1，OLT檢漏系統(tǒng)給出的則是氦氣等效標(biāo)準(zhǔn)漏率OLHe，換算成等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L（相對于空氣）時需要乘上一個系數(shù)0.37，見公式（8）。

當(dāng)然，OLT還可采用空氣對檢漏腔室進(jìn)行增壓檢漏，由此得出的漏率即為等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L，無需進(jìn)行換算。

4 光學(xué)檢漏測量結(jié)果的準(zhǔn)確性

光學(xué)檢漏技術(shù)是上世紀(jì)90年代初期由美國一家公司推出的，由于其在計算機組件產(chǎn)品的氣密性檢測中發(fā)揮了特殊的貢獻(xiàn)而引起極大關(guān)注，上世紀(jì)90年代初期美國組織多家單位對此技術(shù)進(jìn)行了大量研究，選取了幾種不同封裝形式的上百支樣品進(jìn)行對比試驗，確認(rèn)采用光學(xué)檢漏方法測量結(jié)果與傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏等方法的測量結(jié)果非常接近。此后，光學(xué)檢漏方法于1994年被引入美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883中。

國外某公司采用兩臺光學(xué)檢漏儀對兩種封裝形式的晶體振蕩器產(chǎn)品共7742只樣本進(jìn)行了測試試驗，并與采用傳統(tǒng)檢漏方法（氦質(zhì)譜細(xì)檢、碳氟化合物粗檢）的測試結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)僅有1只樣品未通過氦質(zhì)譜檢漏。詳見表1。

有報道稱一只經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏儀檢出的漏率為5.6×10-7atm.cc/s的樣品采用光學(xué)檢漏方法進(jìn)行對比測試，其檢測的漏率值為6.88×10-7atm.cc/s，考慮到儀器本身的測量誤差，二者的吻合性很高。

表1 光學(xué)檢漏、傳統(tǒng)方法檢漏結(jié)果比較

此外，國外有人對光學(xué)檢漏測試結(jié)果的重復(fù)性進(jìn)行了研究[2]，結(jié)果表明，連續(xù)11次測試的結(jié)果一致性很高，見圖2。

圖2 光學(xué)檢漏重復(fù)測量結(jié)果比較

在傳統(tǒng)的氦質(zhì)譜檢漏中，當(dāng)對同一個漏氣樣本進(jìn)行重復(fù)測試時，若連續(xù)兩次氦氣加壓之間的間隔時間不夠，會存在一個所謂的氦氣累積效應(yīng)，后續(xù)的測量結(jié)果會顯示逐漸增大的測量漏率。很顯然，采用光學(xué)檢漏法，這種累積效應(yīng)幾乎可以忽略。

以上可以說明光學(xué)檢漏的測量結(jié)果是準(zhǔn)確且值得信賴的。

光學(xué)檢漏方法在我國的專業(yè)檢測機構(gòu)中目前采用很少，相關(guān)比對數(shù)據(jù)很少見到公開報道。

5 光學(xué)檢漏的優(yōu)勢及局限性

5.1 光學(xué)檢漏的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏方法相比，光學(xué)檢漏具有以下優(yōu)勢：

（1）多個器件同時檢漏時可準(zhǔn)確定位漏氣器件，這一點是有別于傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏的最顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏儀一次性檢漏多個器件的過程中，當(dāng)儀器顯示存在漏氣時，需要經(jīng)過多次檢漏才能定位某個或多個漏氣器件，而OLT系統(tǒng)一次性就能在屏幕上顯示漏氣器件，效率更高。

（2）可以避免傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏中因封裝腔體表面吸附或局部結(jié)構(gòu)疏松存在的盲孔包裹氦氣而呈現(xiàn)的假漏氣現(xiàn)象，因為真實的漏氣會引起腔體內(nèi)部壓強的上升，而表面吸附等引入的氦氣不會進(jìn)入腔體內(nèi)導(dǎo)致腔體內(nèi)部壓強上升，這也是OLT較之氦質(zhì)譜檢漏最大的優(yōu)勢所在。因此，OLT技術(shù)可以減少因為外殼等原因?qū)е碌恼`判現(xiàn)象。

（3）由于OLT系統(tǒng)使用了先進(jìn)的高精度數(shù)字激光干涉儀，可以在1～3 min的測試周期內(nèi)探測2 nm尺度的蓋板微小形變量，相對于氦質(zhì)譜檢漏，光學(xué)檢漏在檢測靈敏度、檢測時間等方面具有明顯的優(yōu)勢。

（4）由于檢漏效率高，密封后直接將器件隨同工裝夾具一起進(jìn)行檢漏，可實現(xiàn)對密封工序的實時監(jiān)控，而傳統(tǒng)檢漏技術(shù)則很難實現(xiàn)這一點。

圖3 密封工序在線監(jiān)控

（5）一次性完成傳統(tǒng)檢漏方法中的細(xì)檢漏和粗檢漏，可省卻傳統(tǒng)氟油檢漏需要將器件浸入125℃氟油中的高溫過程，尤其適合于對溫度敏感的OLED顯示屏、MEMS及光電器件的檢漏。

（6）檢漏腔室大，尤其適合于板級安裝器件的檢漏，而傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏方法中氦氣加壓容器尺寸較小，通常并不適合于電路印制板上氣密性電路的檢漏，即便是電路印制板可以氦氣加壓，還會出現(xiàn)因印制板本身的氦氣吸附而導(dǎo)致的誤判等問題。

圖4 板級安裝器件的檢漏

（7）對于雙腔或多腔體器件，當(dāng)存在漏氣時，傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏方法很難定位漏氣腔體，采用OLT檢漏方法則簡便很多，可以在全部封裝完成后一次檢漏。對于雙面多腔體器件，僅需交換一次器件放置方向即可定位漏氣腔體所在，而對于單面多腔體器件，一次檢漏便可定位所有漏氣腔體。

（8）光學(xué)檢漏尤其適合于圓片級氣密封裝的檢漏方法。傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏方法檢測晶圓級氣密封裝漏率時，除非整張晶圓氣密性全部合格，若采用傳統(tǒng)方式切割后進(jìn)行逐一檢漏，檢漏效率低，根本無法體現(xiàn)圓片級封裝的優(yōu)勢。

圖5 晶圓級氣密封裝的檢漏

正因為光學(xué)檢漏具備上述優(yōu)勢，其在光電、傳感器等行業(yè)中已逐步得到應(yīng)用。

5.2 光學(xué)檢漏的局限性

OLT系統(tǒng)的特點是通過在較短的時間內(nèi)探測納米尺度的蓋板形變變化情況來確定器件的漏率，正因為使用了先進(jìn)的高精度激光數(shù)字干涉儀，對設(shè)備系統(tǒng)本身的壓強控制要求就更加苛刻，這也正是OLT檢漏方法的不足所在。若加壓過程中檢漏腔室存在微小泄露時，其效果有可能等效于封裝器件腔體內(nèi)部氦氣壓強的增加，出現(xiàn)這種情況時，系統(tǒng)會給出錯誤的判斷，誤判合格器件為漏氣器件。相反，若加壓過程中腔室壓強出現(xiàn)緩慢增長時，不排除漏氣器件內(nèi)部壓強增長與腔室壓強增長平衡的可能，故也存在將漏氣器件漏判為合格器件的概率。

此外，OLT檢漏方法僅能判斷器件是否漏氣，無法定位漏氣的具體位置。而傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏可以采用吸氦法，通過一種連接檢漏腔室的吸槍定位器件漏氣的大致部位。氦質(zhì)譜檢漏還可以采用噴氦法對器件封裝外殼本身進(jìn)行密封前的密封性能檢測，OLT檢漏方法卻只能應(yīng)用于密封后的器件檢漏。

6 結(jié)束語

光學(xué)檢漏雖然是國內(nèi)近年興起的一項檢漏技術(shù)，但這項技術(shù)實際上早在上世紀(jì)90年代初期就已經(jīng)出現(xiàn)，由于其與傳統(tǒng)氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)雖然實現(xiàn)方式不同，但實測數(shù)據(jù)吻合性高（國外相關(guān)研究結(jié)果證明二者的試驗測試結(jié)果非常接近），因此是一種值得信賴的新型檢漏方法。

美國軍用標(biāo)準(zhǔn)STD-MIL-883E“微電路試驗方法”中最先引入光學(xué)檢漏試驗方法，我國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB548B-2005“微電子器件試驗方法和程序”方法1014.2中也引入了光學(xué)粗檢漏（試驗條件C4）、光學(xué)粗/細(xì)檢漏（試驗條件C5），而在正在修訂中的GJB548C更是直接引用了STD-MIL-883J中關(guān)于光學(xué)檢漏試驗方法的最新規(guī)定。

目前階段，光學(xué)檢漏方法在我國僅僅是在某些行業(yè)得到了應(yīng)用，其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及傳統(tǒng)的氦質(zhì)譜檢漏方法。由于光學(xué)檢漏技術(shù)在晶圓級封裝、板級組裝器件等應(yīng)用方面上的絕對優(yōu)勢，相信該技術(shù)將會在我國得到快速的推廣和應(yīng)用。