密封元器件水汽含量時(shí)效變化研究

劉慶川

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

聚合物作為一種芯片粘接材料被廣泛使用在各類元器件中。相比于合金片，這種芯片粘接固定方式對(duì)芯片背面金屬化沒(méi)有專門要求，根據(jù)聚合物摻雜成分的不同，可滿足導(dǎo)電或絕緣等不同環(huán)境。但由于聚合物粘接劑自身屬性的特點(diǎn)，易吸附和揮發(fā)氣體，在密封元器件中，若工藝控制不當(dāng)，往往隨著服役時(shí)間的增加，內(nèi)部氣氛會(huì)變得惡劣。內(nèi)部水汽含量是影響密封電子元器件可靠性的一個(gè)重要因素。與內(nèi)部水汽含量有關(guān)的失效模式有腐蝕、離子粘污、電遷移、金屬遷移、機(jī)械損傷、介質(zhì)、分層等[1-5]。

賈松良等研究了密封腔體內(nèi)水汽引起的三個(gè)主要失效機(jī)理以及水汽的主要來(lái)源，指出只要找到器件封裝內(nèi)水汽的主要來(lái)源，不大于5000ppm的指標(biāo)將容易達(dá)到[6]。肖玲等人在材料選用、工藝參數(shù)設(shè)置、工藝過(guò)程控制等方面入手，形成控制規(guī)范，已用于各種混合電路的封裝生產(chǎn)，令水汽含量合格率有了明顯提高[7]。王林等人指出，集成電路封裝內(nèi)部水汽主要是由封裝環(huán)境氣氛中的水份及封裝管殼和芯片表面吸附的水汽造成，介紹了純氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)封裝、增加紅外烘烤等控制集成電路內(nèi)部水汽含量的措施[8]。談侃侃、李雙江等人研究證明，無(wú)論何種導(dǎo)電膠，清洗后烘焙的電路，水汽含量低于未烘焙的電路，且隨烘焙時(shí)間延長(zhǎng)，水汽含量逐步降低[9]。前人在水汽方面的研究成果頗多，但對(duì)時(shí)效條件下水汽含量變化趨勢(shì)和壽命預(yù)測(cè)研究尚少，存有空白。

在此以陶瓷封裝典型器件為研究對(duì)象，首先通過(guò)封裝工藝控制和高溫預(yù)烘焙，盡可能排除聚合物中吸附的水汽和二氧化碳等不良?xì)夥?。進(jìn)一步，將樣品分為三組：第一組高溫貯存環(huán)境，研究不同烘焙時(shí)間條件下，水汽含量隨時(shí)間的變化；第二組溫度循環(huán)環(huán)境，繪制多次循環(huán)后水汽變化曲線圖；第三組樣品在常溫中靜置，研究時(shí)效與聚合物溢氣的關(guān)系。最后通過(guò)擬合和外推方法，將三組結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出加速條件與實(shí)際時(shí)間的等效關(guān)系。

2 試驗(yàn)方案

研究以JM7000導(dǎo)熱膠作為粘接劑，采用潔凈熱風(fēng)箱式爐完成固化，固化溫度300℃，固化時(shí)間15分鐘，保護(hù)氣氛為一個(gè)大氣壓99.999%高純氮?dú)?。芯片尺?×4mm，外殼為陶瓷DIP40，腔體體積92mm3，如圖1所示。用低溫?zé)Y(jié)方式完成密封，在密封前加以適當(dāng)預(yù)烘焙去除聚合物粘接劑中吸附的氣體。

圖1 電路外觀圖

將樣品按如下方案分為三組分別進(jìn)行試驗(yàn)：

A組樣品30只，分別編號(hào)為1#～30#，放置在150℃高溫貯存環(huán)境中，每過(guò)50小時(shí)取出3只做水汽含量測(cè)試，最多烘焙到550小時(shí)，從第100小時(shí)開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)；

B組樣品30只，分別編號(hào)為31#～60#，放入高低溫箱中，設(shè)定-55℃～150℃溫度循環(huán)，每隔50次取出3只做水汽含量測(cè)試，最多循環(huán)550次，從第100次開(kāi)始測(cè)量數(shù)據(jù)；

C組樣品12只，分別編號(hào)為61#～72#，靜置在25℃恒溫環(huán)境中，每隔3個(gè)月取出3只做水汽含量測(cè)試，最多靜置到12個(gè)月。

樣品分組與試驗(yàn)條件如表1所示。測(cè)試方法按照GJB 548B-2005進(jìn)行，試驗(yàn)單位為電子四院。

表1 樣品分組與試驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)表

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 A、B、C三組樣品水汽含量測(cè)試結(jié)果

按照試驗(yàn)條件規(guī)定的時(shí)間，對(duì)上述A、B、C三組樣品進(jìn)行取樣，測(cè)量水汽含量，結(jié)果分別如表2、表3、表 4所示。

表2 水汽含量隨高溫貯存時(shí)間變化

表3 水汽含量隨溫度循環(huán)次數(shù)變化

表4 水汽含量隨常溫靜置時(shí)間變化

從水汽測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，高溫貯存的A組樣品水汽含量最小值出現(xiàn)在150小時(shí)，為137ppm，最大值出現(xiàn)在350小時(shí)，為221ppm。A組樣品水汽含量均值最小值出現(xiàn)在150小時(shí)，為161ppm，均值最大值出現(xiàn)在550小時(shí)，為188ppm，隨著高溫貯存時(shí)間增加，水汽含量均值整體呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，并在第550小時(shí)表現(xiàn)出較大的增量。溫度循環(huán)的B組樣品水汽含量最小值出現(xiàn)在300次，為116ppm，最大值出現(xiàn)在550次，為245ppm。B組樣品水汽含量均值最小值出現(xiàn)在150次，為146ppm，均值最大值出現(xiàn)在550次，為191ppm，隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加，水汽含量均值整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，并在第500次和550次表現(xiàn)出較大的增量。

常溫靜置的C組樣品水汽含量最小值出現(xiàn)在6個(gè)月，為127ppm，最大值出現(xiàn)在12個(gè)月，為198ppm。C組樣品水汽含量均值最小值出現(xiàn)在3個(gè)月，為162ppm，均值最大值出現(xiàn)在12月，為175ppm，隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加，水汽含量均值整體呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)，并在第12個(gè)月表現(xiàn)出較大的增量。

3.2 水汽測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析及擬合

水汽測(cè)試所測(cè)量到的水汽含量，可能有3個(gè)來(lái)源：一是密封時(shí)腔體內(nèi)即存在的微量水汽，這類水汽含量較低，一般在100ppm以下；二是水汽測(cè)試時(shí)，針頭刺破外殼時(shí)，引入的水汽氣氛，這些試驗(yàn)引入的誤差水汽含量較少，無(wú)法量化，一般默認(rèn)為對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響；三是密封外殼緩慢漏氣，外界空氣逐漸進(jìn)入密封腔體內(nèi)，這種情況發(fā)生后，腔體內(nèi)部水汽含量會(huì)不可逆的急劇升高，一般在水汽含量超過(guò)5000ppm后，電路失效可能性將迅速增加；四是聚合物導(dǎo)熱膠緩慢溢氣，一方面是逐步釋放吸附的水和二氧化碳，另一方面是聚合物逐漸分解，產(chǎn)生新的有害氣體。

從測(cè)試結(jié)果看，水汽含量沒(méi)有發(fā)生失控式激增，說(shuō)明水汽來(lái)源主要是聚合物的緩慢溢氣。根據(jù)A、B、C三組樣品水汽含量測(cè)試結(jié)果繪制出散點(diǎn)圖，并利用預(yù)測(cè)曲線采用多階表達(dá)式分別擬合出結(jié)果，如圖2、圖3、圖4所示：

圖2 水汽含量隨高溫貯存時(shí)間變化曲線及擬合

圖3 水汽含量隨溫度循環(huán)次數(shù)變化曲線及擬合

圖4 水汽含量隨常溫靜置時(shí)間變化曲線及擬合

4 壽命預(yù)測(cè)及等效分析

4.1 基于水汽含量擬合的器件壽命預(yù)測(cè)

根據(jù)高溫貯存、溫度循環(huán)、常溫靜置數(shù)據(jù)擬合出的表達(dá)式，分別如下各式所示：

令y=5000，可以求解出三種環(huán)境中，水汽含量達(dá)到5000ppm臨界值時(shí)x值，如表5所示。

表5 水汽含量達(dá)到5000ppm的預(yù)測(cè)值

從表5中可以看出，當(dāng)常溫靜置貯存時(shí)間達(dá)到達(dá)到131個(gè)月時(shí)，電路水汽含量將達(dá)到5000ppm。

4.2 加速試驗(yàn)等效分析

根據(jù)擬合表達(dá)式(3)，用外推法可推算出常溫靜置5年的水汽含量預(yù)測(cè)值約為1075ppm，如表6所示。進(jìn)一步，根據(jù)表達(dá)式(1)，可計(jì)算出在高溫貯存環(huán)境下，水汽含量與常溫靜置達(dá)到相近水平的貯存時(shí)間約為4000h，其等效常溫靜置年份為5年，如表7所示。同理，可以根據(jù)擬合表達(dá)式(2)計(jì)算出在溫度循環(huán)環(huán)境下，水汽含量與常溫靜置達(dá)到相近水平的循環(huán)次數(shù)為1100，其等效常溫靜置年份為4.8年，如表8所示。

表6 常溫靜置水汽預(yù)測(cè)結(jié)果

表7 高溫貯存水汽預(yù)測(cè)結(jié)果

表8 溫度循環(huán)水汽預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)表7和表8，可以分別繪制出高溫貯存與常溫靜置條件等效關(guān)系曲線和溫度循環(huán)與常溫靜置條件等效關(guān)系曲線，如圖5和圖6所示。

圖5 高溫貯存與常溫靜置條件等效關(guān)系曲線

圖6 溫度循環(huán)與常溫靜置條件等效關(guān)系曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)良好的工藝控制，聚合物膠粘劑的水汽釋放速率極低，可應(yīng)用于高可靠集成電路產(chǎn)品的生產(chǎn)。基于常溫靜置和加速試驗(yàn)的水汽實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行擬合分析，得到了膠粘劑水汽壽命的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)方法。結(jié)合外推法，建立了高溫儲(chǔ)存、溫度循環(huán)兩種加速試驗(yàn)條件與常溫靜置時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為產(chǎn)品可靠性評(píng)估提供參考。