氣氛置換法對(duì)緩解硅鋁封裝氦氣吸附影響研究

王斌，羅捷，邱寶軍，王之哲，周帥，王小強(qiáng)

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

作為新興材料，硅鋁材料具有密度低、熱導(dǎo)率高和膨脹率低，以及機(jī)械加工與表面鍍覆、焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn)。用硅鋁材料制作的基座、外殼和蓋板等，其匹配性能好，可提供更好的散熱效果，能極大地延長封裝的使用壽命，因此被廣泛地應(yīng)用于微波功率器件、集成功率模塊和T/R模塊等器件領(lǐng)域[1-5]。

在航天、軍工等可靠性領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，封裝密封性能的優(yōu)劣，直接影響器件的性能及使用壽命。密封性能不良，可導(dǎo)致內(nèi)部氣氛變化，造成器件內(nèi)部腐蝕、參數(shù)漂移和電遷移等危害，在外部因素的作用下，這些危害或潛在的缺陷還會(huì)發(fā)生惡化，從而導(dǎo)致器件功能喪失等。通用的密封性能檢測(cè)方法是示蹤氣體檢漏法，一般采用氦氣作為示蹤氣體，但硅鋁材料由于本身特點(diǎn)和制備工藝的特殊性，容易吸附氦氣，對(duì)硅鋁材料封裝器件密封性能的檢測(cè)和控制造成影響。

目前通用的緩解氦氣吸附的方法包括流動(dòng)的環(huán)境空氣、干氣洗滌和高溫烘烤[5-6]。其中，流動(dòng)的環(huán)境空氣效率低，僅適用于表面吸附不嚴(yán)重的器件；干氣洗滌過程中氣體用量大，經(jīng)濟(jì)效益低；而高溫烘烤則要求器件承受溫度的能力較高，不適用于承受溫度相對(duì)較低的產(chǎn)品。

本文基于吸附理論，創(chuàng)新性地提出使用非示蹤氣體置換硅鋁表面吸附氦氣的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)表面氦氣的去除，以緩解氣密封元器件在密封細(xì)檢漏試驗(yàn)時(shí)氦氣吸附對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，從而減少檢驗(yàn)的誤判，真實(shí)地反映密封元器件的封裝可靠性。

1 硅鋁封裝器件吸附特性研究

硅鋁材料由于質(zhì)量輕、易加工等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于微波功率器件、集成功率模塊和T/R模塊等器件中。其中，AlSi27和AlSi50兩種材料的生產(chǎn)加工工藝相對(duì)成熟，在封裝領(lǐng)域內(nèi)的使用占比較高，AlSi50的延伸率較小，材料較脆，但其熱膨脹系數(shù)和密度較低，常用作于管殼中的底座承載電路和安裝芯片上；AlSi27的加工性能較好，常用作管殼中的蓋板材料。

硅鋁材料內(nèi)部組織為共晶的Al-Si組織基體上分布?jí)K狀的Si單質(zhì)，如圖1所示。其中，鋁基固溶體為面心立方，Si單質(zhì)為金剛石結(jié)構(gòu)。因而，在硅鋁材料中存在大量的晶界，這些晶界為氦氣提供了大量的吸附位，使得該類材料表面存在大量的氦氣吸附的現(xiàn)象。

圖1 硅鋁材料的典型金相形貌

行業(yè)內(nèi)對(duì)硅鋁材料的制備主要采取的是噴射成形和粉末冶金兩種方式。噴射成形是用高壓惰性氣體將合金液流霧化成細(xì)小的熔滴，在高速氣流下飛行并冷卻，在尚未完全凝固前沉積成坯件的一種工藝。噴射成形由于冷卻速度快的工藝特點(diǎn)較傳統(tǒng)的鍛壓、鑄造成形更容易形成空隙。另一種制備方式是粉末冶金的方法，粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末（或金屬粉末與非金屬粉末的混合物）作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料和各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方，均屬于粉末燒結(jié)技術(shù)。粉末冶金的工藝特點(diǎn)也容易在材料中產(chǎn)生空隙缺陷。因此，不管是噴射成形和粉末冶金，由于在制備工藝上的特點(diǎn)，均可造成硅鋁材料表面大量的空隙缺陷存在，容易產(chǎn)生氦氣吸附。

在進(jìn)行密封細(xì)檢漏試驗(yàn)時(shí)，需要使用氦氣對(duì)硅鋁封裝器件進(jìn)行加壓，保壓一段時(shí)間后再恢復(fù)至大氣壓力下，在規(guī)定的停留候檢時(shí)間內(nèi)，通過氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)漏率或累計(jì)漏率測(cè)試。氦氣對(duì)硅鋁器件表面的吸附，主要發(fā)生在加壓和保壓時(shí)間內(nèi)。其中，吸附過程包括兩種類型的吸附，分別是外擴(kuò)散和內(nèi)擴(kuò)散。由于氦氣分子的體積較小，其吸附過程主要分為以下3個(gè)階段。

a）氦氣從氣流主體通過硅鋁材料周圍的氣膜在范德華力的作用下擴(kuò)散到硅鋁的外表面，為外擴(kuò)散或外部傳遞過程。

b）氦氣從硅鋁材料表面經(jīng)微孔擴(kuò)散到吸附劑孔隙內(nèi)部，被稱為內(nèi)擴(kuò)散或孔內(nèi)部傳遞過程。因硅鋁材料表面曲折的晶界和機(jī)械加工過程中硅單質(zhì)表面形成的裂紋使其容易發(fā)生內(nèi)擴(kuò)散。

c）氦氣到達(dá)硅鋁材料微孔表面的氦氣被吸附的過程。

2 氣氛置換機(jī)理分析

根據(jù)Langmuir的等溫吸附模型有：

式（1）中：q——一定溫度、壓力條件下吸附劑的平衡吸附量；

qm——單位質(zhì)量（或體積）吸附劑對(duì)該氣體的飽和吸附量；

p——吸附質(zhì)氣體中對(duì)應(yīng)組分的分壓；

K——吸附平衡常數(shù)。

平衡常數(shù)K滿足Van’t Hoff關(guān)系，即：

式（2）中：K0——指前因子；

-ΔH0——吸附熱；

R——摩爾氣體常數(shù)，為8.314 472 J/（mol·K）；

T——吸附溫度，單位為K。

然而在實(shí)際的吸附過程中，吸附并不能符合Langmuir模型所假設(shè)的條件，因此人們?cè)贚angmuir模型的基礎(chǔ)上提出了一些改進(jìn)模型，用于描述非單層吸附且吸附劑表面能量非均勻等情況下的吸附。MSL（Multi-site Langmuir）模型就是其中一個(gè)以Langmuir模型為基礎(chǔ)的擴(kuò)展改進(jìn)模型，其模型表達(dá)式如下所示：

式（3）中：qi——一定T、P條件下吸附劑對(duì)組分i的平衡吸附量；

qm，i——單位質(zhì)量（或體積）吸附劑對(duì)該氣體的飽和吸附量；

-ΔH0，i——組分i表示吸附熱；

ai——吸附組分i分子所占據(jù)吸附料表面吸附位活性位的數(shù)量。

吸附平衡常數(shù)Ki滿足Van’t Hoff關(guān)系式：

基于單組分MSL模型采用與Langmuir模型擴(kuò)展類似的方法進(jìn)行改進(jìn)后可以得到多組分的MSL模型，所得的表達(dá)式如下：

式（5）中：yi——i組分的含量。

通過多組分競爭吸附模型，可采用其他吸附質(zhì)占據(jù)吸附劑上的有限吸附位，利用此方法來減輕氦氣吸附的思路。即通過將背壓氦氣后的樣品在其他氣氛下繼續(xù)背壓，通過降低氦氣的組分含量yHe和分壓pHe從而間接地起到去除吸附氦氣的作用。

3 不同置換氣氛的試驗(yàn)

考慮氣氛獲取的便宜性和安全性，采用CO2、N2和Ar 3種氣體進(jìn)行驗(yàn)證，3種氣氛分子的動(dòng)力學(xué)直徑分別是0.330、0.364、0.340 nm，與He氣氛分子動(dòng)力學(xué)直徑（0.260 mm）相近。

選取典型的硅鋁封裝器件（僅對(duì)殼體進(jìn)行驗(yàn)證），如圖1所示，尺寸分別為40 mm×40 mm×10 mm、40 mm×40 mm×20 mm、40 mm×40 mm×30 mm。按照GJB 548B—2005方法1014中條件A1固定方法，He氣加壓壓力為310 kPa，停留候檢時(shí)間不大于1 h，氣氛置換背壓時(shí)間分別為0、15、30、60 min。He吸附去除的有效判據(jù)為測(cè)量漏率＜5×10-3（Pa·cm3）/s，試驗(yàn)比對(duì)不同氣氛及不同氣氛背壓時(shí)間后的樣品He漏率值變化規(guī)律以驗(yàn)證去除氦氣吸附方法的有效性。

圖2 硅鋁材料的典型試驗(yàn)驗(yàn)證樣品

3.1 CO2置換去除氦氣試驗(yàn)

置換氣為CO2時(shí)漏率隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。由結(jié)果可知，在15～30 min內(nèi)，3個(gè)不同尺寸的樣品均可以達(dá)到有效去除氦氣吸附的要求。由曲線的趨勢(shì)可知，在0～30 min內(nèi)漏率的下降速率較快，在30～60 min內(nèi)漏率變化較慢。主要原因可能與在加壓罐容積一定的情況下，脫附的氦氣增加了加壓罐內(nèi)氦氣的分壓導(dǎo)致原有的脫附氦氣分子重新吸附在樣品表面，脫附和吸附平衡有關(guān)；另外，內(nèi)擴(kuò)散型吸附的氦氣的脫附主要取決于濃度梯度和溫度，置換法所產(chǎn)生的濃度梯度并不能顯著地影響內(nèi)擴(kuò)散型吸附的脫附速率。

圖3 置換氣為CO2時(shí)漏率隨時(shí)間變化的曲線

3.2 N2置換去除氦氣試驗(yàn)

置換氣為N2時(shí)漏率隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示，由結(jié)果可知，在60 min后，3個(gè)不同尺寸的樣品均可以達(dá)到有效地去除氦氣吸附的要求。由曲線的趨勢(shì)可知，在15～60 min內(nèi)漏率處于下降階段，但其漏率的下降速度較慢。除了內(nèi)擴(kuò)散型吸附的氦氣較難去除以外，可能與N2和He的分子特點(diǎn)有關(guān)，N2的分子動(dòng)力學(xué)直徑大于He的分子動(dòng)力學(xué)直徑，N2分子吸附的深度不及He。

圖4 置換氣為N2時(shí)漏率隨時(shí)間變化的曲線

3.3 Ar置換去除氦氣試驗(yàn)

氬氣是目前工業(yè)上應(yīng)用很廣的稀有氣體。它的性質(zhì)十分不活潑，既不能燃燒，也不助燃。在飛機(jī)制造、造船、原子能工業(yè)和機(jī)械工業(yè)部門，對(duì)特殊金屬，例如：鋁、鎂、銅及其合金和不銹鋼在焊接時(shí)，往往用氬作為焊接保護(hù)氣，防止焊接件被空氣氧化或氮化。置換氣為氬氣時(shí)漏率隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示，由結(jié)果可知，在45 min內(nèi)，3個(gè)不同尺寸的樣品均可以達(dá)到有效去除氦氣吸附的要求。由曲線的趨勢(shì)可知，在0～45 min內(nèi)漏率的下降速率較快，在45 min后漏率變化較慢，變化趨勢(shì)與采用其他置換氣體的效果相似。

圖5 置換氣為Ar時(shí)漏率隨時(shí)間變化的曲線

3.4 不同置換氣體橫向?qū)Ρ?/h3>

不同尺寸樣品采用不同置換氣體置換后其漏率的變化情況如圖6-8所示，由結(jié)果可知，CO2去除氦氣吸附的效果最好，Ar次之，N2的效果最差。因空氣78.08%由氮?dú)饨M成，故氮?dú)獾娜コЧc靜置的結(jié)果類似并未取得較好的去除氦氣吸附的效果，因而在使用GJB 548B—2005方法1014條件A1固定方法進(jìn)行密封試驗(yàn)評(píng)價(jià)中不宜采用其作為置換氣體進(jìn)行去除氦氣吸附。當(dāng)樣品需要或規(guī)范要求必須按使用GJB 548B—2005方法1014條件A1固定方法進(jìn)行密封試驗(yàn)評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)考慮采用去除效果較好的CO2和Ar。因在背壓CO2過程中可能存在少量的CO2背壓進(jìn)入樣品的腔體內(nèi)部，而CO2與內(nèi)部水汽容易腐蝕腔體內(nèi)部的金屬，故對(duì)于高可靠性要求的器件，更推薦采用Ar進(jìn)行置換去除氦氣。Ar為惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易發(fā)生反應(yīng)。

圖6 40 mm×40 mm×10 mm尺寸AlSi50采用不同置換氣漏率變化情況

圖7 40 mm×40 mm×15 mm尺寸AlSi50采用不同置換氣漏率變化情況

圖8 40 mm×40 mm×20 mm尺寸AlSi50采用不同置換氣漏率變化情況

4 結(jié)束語

綜上所述，硅鋁材料由于其微觀金相結(jié)構(gòu)和工藝的特性，容易吸附氦氣，導(dǎo)致硅鋁封裝器件在進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí)材料表面吸附大量的氦氣，而目前密封試驗(yàn)裝備無法區(qū)分吸附氦氣和實(shí)際檢漏氦氣，因而檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。本文創(chuàng)新性地提出氣氛置換法，以有效地去除硅鋁材料表面氦氣吸附，確保密封試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過比對(duì)不同置換氣氛對(duì)氦氣去吸附效果的影響，可以發(fā)現(xiàn)由于分子動(dòng)力學(xué)直徑的不同，CO2作為置換氣氛的去除效率最高，其次是Ar，氮?dú)馊コЧ^差。但CO2的滲入，有可能導(dǎo)致器件內(nèi)部氣氛超標(biāo)進(jìn)而導(dǎo)致失效，因此優(yōu)先推薦氬氣作為置換氣體。