光電耦合器內(nèi)部氣氛控制技術(shù)及工藝研究

吳瓊瑤

光電耦合器內(nèi)部氣氛控制技術(shù)及工藝研究

吳瓊瑤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶 400060；重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060）

為滿足尖端領(lǐng)域?qū)Ω呖煽啃栽骷?nèi)部氣氛控制的要求，分析了內(nèi)部氣氛的構(gòu)成及現(xiàn)有內(nèi)部氣氛控制水平，并基于現(xiàn)有工藝，采取多維度內(nèi)部氣氛控制的工藝措施，在各工藝維度上，通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)工藝條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，并增加配套控制措施，確定了各工藝維度的條件。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，內(nèi)部氣氛控制水平有顯著提升，可滿足航天高可靠性的控制要求且有較大余量。

光電耦合器；內(nèi)部氣氛；多維度內(nèi)部氣氛控制；迭代驗(yàn)證

光電耦合器較塑封器件具有更高的可靠性[1]，廣泛應(yīng)用于航空、航天等尖端領(lǐng)域[2]。隨著整機(jī)可靠性等級(jí)的不斷提高，對(duì)涉及元器件可靠性的內(nèi)部氣氛控制能力提出了更高的要求[3]。相應(yīng)地，空封器件的內(nèi)部氣氛控制技術(shù)成為近年的研究熱點(diǎn)[4-6]。本文在分析內(nèi)部氣氛構(gòu)成的基礎(chǔ)上，從工藝過(guò)程的角度提出了內(nèi)部氣氛控制措施，并經(jīng)試驗(yàn)證明了其可行性。

1 內(nèi)部氣氛的構(gòu)成及影響

在光電耦合器的腔體內(nèi)氣氛中，對(duì)器件可靠性影響較大的主要包括水汽（H2O）、氫氣（H2）、氧氣（O2）和二氧化碳（CO2）幾種成份。上述成份中，H2O會(huì)加速對(duì)光耦芯片的金屬化層或鍵合絲的腐蝕，導(dǎo)致電路絕緣性能變差，引起漏電流變大；H2會(huì)與O2反應(yīng)生成H2O，O2自身也會(huì)導(dǎo)致材料的氧化；CO2會(huì)和H2O反應(yīng)，形成了酸性環(huán)境，進(jìn)而腐蝕腔體內(nèi)裸露的金屬。

由此，必須控制上述成份的含量以提高器件可靠性。研究表明[7]，必須保證H2O含量小于等于0.3%，H2含量小于等于0.25%，O2含量小于等于0.4%，CO2含量小于等于0.5%，方可保證航天高可靠性的控制要求。

2 現(xiàn)有內(nèi)部氣氛控制水平分析

采用陶瓷體尺寸為6.6 mm×4.9 mm×3.2 mm的SO4光電耦合器作為研究對(duì)象，其內(nèi)腔體積約為16 mm3。

制作60只樣品，其內(nèi)部氣氛控制條件包括：管殼除氫溫度160 ℃，時(shí)間8 h；管殼清洗后用去離子水沖洗次數(shù)2次；管殼清洗后烘烤溫度為125 ℃，烘烤時(shí)間1 h；共晶焊工藝中氫氣保護(hù)；封裝前無(wú)高溫烘焙和真空烘焙步驟。

分別在生產(chǎn)及檢驗(yàn)的不同階段進(jìn)行內(nèi)部氣氛檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表1所示，表中數(shù)據(jù)為平均值。

數(shù)據(jù)表明，封裝后各成份含量均小于0.2%，但隨著環(huán)境應(yīng)力的積累（篩選試驗(yàn)中的環(huán)境應(yīng)力包括150 ℃下96 h的烘烤、﹣55～125 ℃下10次溫度循環(huán)，以及85 ℃下96 h的電老練，穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)中的環(huán)境應(yīng)力包括85 ℃下1 000 h的加電工作），H2O、H2、CO2含量顯著增加，最高接近0.8%，不滿足航天高可靠性的控制要求。

表1 現(xiàn)有工藝下不同階段的內(nèi)部氣氛（單位：%）

階段O2H2OH2CO2 封裝后0.041 360.042 160.039 020.165 72 篩選試驗(yàn)后0.066 820.494 00.257 720.776 0 穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后0.112 280.460 540.672 00.515 98

H2O主要來(lái)源為管殼和芯片在清洗后烘干不充分導(dǎo)致水汽吸附于表面，另外H2和O2在高溫環(huán)境下反應(yīng)產(chǎn)生以及助焊劑含水也是重要來(lái)源。H2主要來(lái)源為陶瓷管殼制備過(guò)程中，由于氫在鐵鎳合金溶液中具有很高的溶解度，在電鍍時(shí)，氫會(huì)伴隨金屬一同沉積并存在于鍍層和陶瓷表面。O2主要來(lái)源為共晶焊料燒結(jié)過(guò)程中析出，由于去除還原氣體H2，因此會(huì)導(dǎo)致芯片燒結(jié)過(guò)后析出大量O2，另外封裝環(huán)境中的O2和鎳金表面吸附的O2也是重要來(lái)源。CO2主要來(lái)源為共晶燒結(jié)過(guò)程中的助焊劑以及燒結(jié)后殘留的助焊劑在高溫下氧化產(chǎn)生，并吸附于焊接面和管殼表面，封裝環(huán)境中的O2也是重要來(lái)源。由此，可以使用針對(duì)性的工藝措施進(jìn)行解決。

3 控制內(nèi)部氣氛的工藝改進(jìn)措施

采取多維度內(nèi)部氣氛控制工藝措施，并開展了相應(yīng)的研究。

3.1 管殼除氫

管殼除氫通過(guò)高溫烘烤使殘留H2提前溢出，以減弱對(duì)內(nèi)部氣氛的影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，將除氫的條件按160 ℃下8 h、200 ℃下12 h、240 ℃下24 h的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，并確定為除氫條件。

3.2 管殼清洗

管殼清洗主要是減少管殼上有機(jī)雜質(zhì)的殘留。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，將有機(jī)溶劑浸泡和超聲時(shí)間按10 min、15 min的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，將管殼清洗后去離子水沖洗次數(shù)按2次、5次、10次的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，要求管殼一次性清洗不超過(guò)50只，以保證清洗充分，并確定為管殼清洗條件。

3.3 共晶焊燒結(jié)

在共晶焊燒結(jié)過(guò)程中，通過(guò)控制H2用量以及焊料的用量減少H2、H2O的殘留與釋放。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，不斷減少H2用量并最終使用純N2作為保護(hù)氣體，在焊料涂覆時(shí)，將手工涂覆改為絲網(wǎng)印刷，并減小絲網(wǎng)孔徑以減薄焊料層，最終確定共晶焊燒結(jié)及焊料涂覆條件。

3.4 燒結(jié)后清洗

燒結(jié)后清洗主要是去掉多余的助焊劑，以控制H2O、O2、CO2的后續(xù)釋放。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，采用氣相清洗以提高助焊劑的去除效果，將氣相清洗清洗后去離子水沖洗次數(shù)按2次、5次、10次的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，要求燒結(jié)后4 h內(nèi)完成清洗，以保證清洗充分，并確定為燒結(jié)后清洗條件。

3.5 清洗后烘烤

清洗后烘烤包括管殼清洗后烘烤和燒結(jié)后清洗烘烤，主要是去除殘存的有機(jī)清洗液，以防化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致H2、H2O、O2、CO2的后續(xù)釋放。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，將清洗后烘烤溫度按125 ℃、150 ℃的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，烘烤時(shí)間按1 h、1.5 h的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，并確定為清洗后烘烤條件。

3.6 封裝

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，在封裝前增加150 ℃下的高溫真空烘焙過(guò)程，以促使管殼及金屬化表面吸附的H2、H2O、O2、CO2氣體有效釋放，并將烘焙時(shí)間按48 h、96 h、120 h的條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，確定為烘焙條件。

另外，在封裝之前增加氣體置換過(guò)程，經(jīng)過(guò)8次通氮?dú)?、抽真空循環(huán)，排除在設(shè)備封裝空間內(nèi)的H2、H2O、O2、CO2氣體以減少其含量。

4 工藝改進(jìn)措施的內(nèi)部氣氛控制效果驗(yàn)證

仍采用前述光電耦合器進(jìn)行驗(yàn)證，制作60只樣品，制作過(guò)程中采用前述各項(xiàng)工藝改進(jìn)措施，并分別在生產(chǎn)及檢驗(yàn)的不同階段進(jìn)行內(nèi)部氣氛檢測(cè)，數(shù)據(jù)如表2所示，表中數(shù)據(jù)為平均值。

表2 工藝改進(jìn)后不同階段的內(nèi)部氣氛（單位：%）

階段O2H2OH2CO2 封裝后0.089 820.046 630.017 180.042 54 篩選試驗(yàn)后0.035 400.023 510.012 220.025 67 穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)后0.007 540.012 520.009 810.034 72

數(shù)據(jù)表明，封裝后除O2含量接近0.09%外，其余成份含量均在0.05%以下，在經(jīng)歷篩選試驗(yàn)和穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力后，各成份含量均在0.05%以下，較工藝改進(jìn)前有顯著改善，各參數(shù)值均滿足航天高可靠性的控制要求，且有較大余量。

5 結(jié)論

在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，采取多維度內(nèi)部氣氛控制工藝措施，從管殼除氫、管殼清洗、共晶焊燒結(jié)、燒結(jié)后清洗、清洗后烘烤、封裝等工藝維度上，通過(guò)試驗(yàn)研究對(duì)工藝條件進(jìn)行迭代驗(yàn)證，并增加配套控制措施，最終確定各工藝維度的條件。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，各內(nèi)部氣氛成份的含量較改進(jìn)前有顯著改善，滿足航天高可靠性的控制要求且有較大余量，表明工藝改進(jìn)措施有效，為后續(xù)新研項(xiàng)目產(chǎn)品內(nèi)部氣氛控制奠定了基礎(chǔ)。

［1］張秀霞.半導(dǎo)體器件和集成電路水汽含量控制的研究［J］.封裝工藝與設(shè)備，2009，171（4）：48-50，52.

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TN622

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.054

2095－6835（2020）09－0128－02

吳瓊瑤，高級(jí)工程師，從事電子元器件的檢測(cè)技術(shù)研究、失效分析及可靠性技術(shù)研究。

〔編輯：王霞〕