多芯片微波組件的一種控氫方法研究

楊程 胡駿 金家富 邱穎霞

摘 要 砷化鎵類半導(dǎo)體器件因其良好的性能在多芯片微波組件中應(yīng)用廣泛。密封組件內(nèi)部氣氛中的氫氣對(duì)砷化鎵類微波器件影響很大。文章通過(guò)對(duì)吸氫材料應(yīng)用進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了吸氫劑具有控氫成本低、效果優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，其可以作為多芯片微波組件的一種有效控氫方法。

關(guān)鍵詞 多芯片微波組件；吸氫劑；控氫

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2019）226-0117-02

1概述

砷化鎵類半導(dǎo)體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在多芯片微波組件中應(yīng)用廣泛。由于氫氣作為管殼加工過(guò)程中的一種重要?dú)夥?，氫氣容易成為密封組件內(nèi)腔的殘余氣體。密封組件內(nèi)部氣氛中的氫氣對(duì)砷化鎵類微波器件影響很大[ 1 ]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究氫氣對(duì)GaAs類器件性能影響的文章越來(lái)越多，主要關(guān)注點(diǎn)都在器件密封前對(duì)封裝材料進(jìn)行排氣處理，以控制封裝組件內(nèi)部氫氣氣氛[1-3]，但對(duì)多芯片微波組件內(nèi)部使用吸氫劑控制封裝組件內(nèi)部氫氣氛圍的研究卻很少。

本文通過(guò)對(duì)吸氫材料的極限吸氫能力和組件級(jí)吸氫效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，研究多芯片微波組件內(nèi)使用吸氫材料的可行性。

2 吸氫材料應(yīng)用驗(yàn)證

2.1 吸氫材料吸氫機(jī)理

吸氫劑是一種能有效吸附氫氣的制劑，用來(lái)獲得、維持真空以及純化氣體等。根據(jù)獲得清潔（活性）表面的不同方式，吸氫劑按主體材料可分為三大類：金屬氧化物、聚合物和金屬基合金。

本文選用的吸氫劑材料為鈦基合金，屬于金屬基非蒸散吸氫材料的一種，非蒸散型吸氫劑無(wú)金屬蒸散，因此廣泛應(yīng)用在高真空器件中。吸氫劑吸氫過(guò)程有兩個(gè)主要步驟[ 4 ]，示意圖如圖1所示。

第一步是表面吸附，即氫與吸氫材料接觸時(shí)，能在其表面通過(guò)解離分解為氫原子然后吸附在吸氫材料表面。

第二步是體內(nèi)擴(kuò)散，即解離后的氫原子擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部與金屬反應(yīng)形成氫化物，此時(shí)氫就以氫原子態(tài)進(jìn)入吸氫劑材料晶格內(nèi)形成固溶體。氫與鈦基合金吸氫材料形成固溶體后，需要在特定的條件（溫度）下氫才會(huì)從吸氫材料內(nèi)部釋放出來(lái)。當(dāng)吸氫材料溫度超過(guò)450℃時(shí)[ 5 ]，吸氫材料體內(nèi)的氫才開(kāi)始釋放出來(lái)。由于本產(chǎn)品組件設(shè)計(jì)工作溫度較低約為45℃，因此吸氫劑在多芯片微波組件內(nèi)部表現(xiàn)為單向吸氫。

2.2 吸氫材料工藝匹配性

多芯片微波組件外殼由盒體和蓋板組成，其中盒體內(nèi)已集成裝配各種基板和元器件，在盒體內(nèi)壁進(jìn)行吸氫材料安裝的操作可達(dá)性差并且極易損傷到內(nèi)部元器件，因此選擇在蓋板內(nèi)側(cè)進(jìn)行吸氫劑的安裝。

鈦基合金吸氫劑具備良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和延展特性，其具有類似于鈦合金的物理特性，是一種組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的金屬材料，熔焊性能優(yōu)良，吸氫劑厚度較薄可以直接焊接在蓋板上，無(wú)需外加活化處理和額外加工等工藝過(guò)程，與多芯片微波組件組裝工藝適配性良好。完成裝配后未發(fā)現(xiàn)吸氫材料存在分解、粉化脫落的現(xiàn)象，吸氫劑安裝安全可靠。

2.3 吸氫材料吸氫能力驗(yàn)證

2.3.1 吸氫材料極限吸氫能力驗(yàn)證

按《吸氣劑氣體吸放性能測(cè)試方案》（GB/T 25497-2010）進(jìn)行吸氣量測(cè)試，采用定容法，即利用在恒溫下測(cè)量一定時(shí)間間隔中，某已知容積的容器內(nèi)的壓強(qiáng)變化量據(jù)此計(jì)算出吸氫材料的吸氣量。

吸氫劑的吸氫速率和吸氫極限總量如表1所示。

通過(guò)吸氣劑氣體吸放性能試驗(yàn)驗(yàn)證了吸氫劑可以吸氫12ml，吸氫劑極限吸氫總量遠(yuǎn)大于多芯片微波組件內(nèi)部釋氫總含量。

圖2為吸氫劑吸氫前與吸氫飽和后的對(duì)比圖，吸氫劑吸氫飽和后無(wú)粉化和微裂紋，并且沒(méi)有產(chǎn)生多余物，吸氫材料表面也未發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)，因此該型吸氫劑能夠滿足多芯片微波組件對(duì)于吸氫材料可靠性的要求。

2.3.2 吸氫劑組件級(jí)吸氫效果驗(yàn)證

選取2只氫含量大于6 000ppm多芯片微波組件，在蓋板上安裝吸氫劑，密封后按多芯片微波組件詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行篩選考核，考核后進(jìn)行內(nèi)部氣氛檢測(cè)和吸氫劑的剪切強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，加裝吸氫劑的多芯片微波組件篩選試驗(yàn)后內(nèi)部氫含量均低于1 000ppm，吸氫劑吸氫效果明顯；吸氫劑剪切強(qiáng)度滿足GJB548方法2019.2的要求，吸氫材料安裝工藝可靠。

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證吸氫劑裝配工藝與組件返修工藝協(xié)調(diào)性相匹配，安裝工藝可靠，加裝吸氫劑后的多芯片微波組件內(nèi)部氫含量可控制在較低水平。因此吸氫劑鑒于其控氫成本低、效果優(yōu)良可以作為多芯片微波組件的一種有效控氫方法。

參考文獻(xiàn)

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