密封器件腔體內(nèi)水汽和氫氣含量的控制方法

關(guān)亞男，趙鶴然

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

1 引言

水汽和氫氣含量是密封器件封裝腔體內(nèi)部氣氛控制的關(guān)鍵指標(biāo)。一方面，器件腔體內(nèi)水汽和氫氣來源多樣化，并且在組裝過程中會(huì)反復(fù)吸附；另一方面，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，芯片引出端數(shù)量大量增加，封裝腔體體積也隨之增加，使內(nèi)部的氣氛變得更難控制。密封器件腔體內(nèi)水汽和氫氣含量的控制成為密封工藝控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié)[1-2]。

芯片表面凝結(jié)的水汽使器件表面漏電增加，引起器件電性能衰退；芯片表面吸附的水汽在通電時(shí)，會(huì)導(dǎo)致金屬鋁膜以原電池的形式發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而腐蝕鋁膜。對(duì)于一些特殊的MEMS器件，水汽還會(huì)引起諸如表面張力等的變化，使MEMS參數(shù)漂移甚至失效[3-4]。

氫氣的存在可能引發(fā)“氫脆”現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬材料性能的變化，造成質(zhì)量隱患，特別是對(duì)砷化鎵微波器件性能和參數(shù)穩(wěn)定性的影響較大。此外，封裝腔體內(nèi)含有過量的氫氣，易導(dǎo)致密封區(qū)的空洞率過高，影響密封效果，嚴(yán)重的會(huì)造成密封失效[5－6]。

目前，對(duì)密封腔體內(nèi)的水汽和氫氣的控制原理是基于高溫烘焙，使封裝腔體內(nèi)的水汽和氫氣在密封前可以有效地散出或逸出腔體，并在整個(gè)封裝過程中嚴(yán)格控制再次吸附[7－8]。

綜上考慮，在此研究一種控制氣密性封裝器件內(nèi)部氣氛的方法。根據(jù)水汽和氫氣的來源，采用有針對(duì)性的多重手段進(jìn)行逐一控制，通過有效地控制封裝腔體內(nèi)的氣氛，來大幅度降低密封器件腔體內(nèi)的水汽、氫氣含量。

2 水汽、氫氣來源分析

封裝過程中涉及的材料包括芯片、管殼及蓋板、芯片粘接材料、鍵合材料、密封保護(hù)氣體等。封裝腔體內(nèi)的水汽來源有多種，包括：芯片制造過程中吸附在芯片上的，封裝生產(chǎn)過程產(chǎn)生的（例如：劃片工序的水清洗、粘接固化時(shí)中有機(jī)物揮發(fā)）、管殼蓋板及鍵合材料本身吸附、環(huán)境里含有的水汽被封到封裝腔體里等等，這些水汽在高溫時(shí)會(huì)揮發(fā)掉大部分，但溫度恢復(fù)后會(huì)再次吸附一部分，也就是說，這些水汽在密封前可以反復(fù)吸附在封裝腔體內(nèi)，因此在整個(gè)組裝過程中都要進(jìn)行水汽控制。此外，還應(yīng)考慮封裝腔體內(nèi)的氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的水，或是因?yàn)榉庋b氣密性不夠而漏進(jìn)腔體內(nèi)的水汽，如果是氣密性封裝，后一種情況可以不予考慮。封裝腔體內(nèi)氫氣的來源主要是管殼和蓋板加工過程中的殘留。氣密性封裝器件的水汽、氫氣的存在情況如圖1所示。

圖1水汽、氫氣存在情況

3 控制方法

3.1 原材料控制

水汽控制的方法比較簡單，也是有氣密性封裝要求的器件比較通用的控制方法：高溫烘焙即可控制；氫氣的控制難度比較大，管殼和蓋板內(nèi)殘留的氫氣揮發(fā)極慢，采用控制水汽的高溫烘焙方法對(duì)氫氣揮發(fā)速度影響不大，殘留在鍍層里的氫氣很難逸出，因此很難將其去除；蓋板上因?yàn)橛泻噶檄h(huán)的存在，不能承受太高的溫度，因此用一般方法處理蓋板和管殼，比較容易控制水汽的含量，但對(duì)氫氣的控制效果不明顯，這也是密封過程中可以將水汽的含量控制在5000ppm以下，而氫氣含量的控制卻達(dá)不到穩(wěn)定的效果，通常在20000ppm以下，有時(shí)還達(dá)不到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的原因。

在此主要介紹對(duì)管殼及蓋板的控制方法。首先對(duì)蓋板進(jìn)行預(yù)處理，這是控制過程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。將蓋板和焊料環(huán)進(jìn)行分離，要求保持焊料環(huán)的完整，并且不能對(duì)蓋板造成損傷。然后將焊料環(huán)保存在適當(dāng)環(huán)境中，管殼和蓋板一起進(jìn)行高溫烘焙，烘焙過程要保持真空狀態(tài)，以利于水汽和氫氣從管殼和蓋板中逸出。圖2為管殼和蓋板的烘焙過程示意圖。在烘焙過程中，真空度控制在0.1mbar~1.5mbar之間為宜，圖中恒溫區(qū)E的溫度要高于密封的溫度。

圖2烘焙過程示意圖

3.2 密封過程的控制方法

用處理過的管殼組裝成集成電路的半成品。密封前將半成品在真空-高純氮狀態(tài)下循環(huán)5～7次，同時(shí)溫度控制在120±5℃，以控制封裝腔體內(nèi)的氣氛。裝配時(shí)，將待密封電路的半成品、拆卸的焊料環(huán)、蓋板按照次序疊裝在一起，采用夾具進(jìn)行固緊和夾持。密封時(shí)，將待封裝的電路在高純氮的環(huán)境下預(yù)熱5分鐘，然后再加熱，持續(xù)一段時(shí)間后迅速降溫冷卻，以達(dá)到氣密性封裝的要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以DIP24管殼為例，應(yīng)用上述控制方法。工藝過程為：真空燒結(jié)粘片→32μm鋁硅絲鍵合→低溫?zé)Y(jié)密封。

實(shí)際密封了幾組樣品，并與用傳統(tǒng)方法控制的同工藝過程密封樣品進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比。樣品編號(hào)如表1所示。

表1樣品編號(hào)

密封后直接進(jìn)行內(nèi)部氣氛檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2，示意圖如圖3。從測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，用新方法控制的水汽和氫氣的含量都相對(duì)更低，特別是氫氣的含量明顯降了下來。試驗(yàn)證明新方法控制水汽和氫氣的效果明顯比傳統(tǒng)的控制方法更有效，含量波動(dòng)更小，可以滿足更高質(zhì)量等級(jí)的要求。

表2封裝后樣品內(nèi)部氣氛檢測(cè)

圖3封裝后樣品內(nèi)部氣氛

密封后的樣品經(jīng)過考核試驗(yàn)后，進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3，示意圖如圖4。對(duì)比結(jié)果表明：考核試驗(yàn)沒有明顯對(duì)新方法和傳統(tǒng)方法控制的水汽和氫氣含量造成影響，也就是說這種新的控制方法未見有明顯的控制隱患存在（如果有，水汽或氫氣的含量會(huì)有明顯的變化，如含量明顯增加）。

表3經(jīng)過考核試驗(yàn)后的樣品內(nèi)部氣氛檢測(cè)

圖4試驗(yàn)后樣品內(nèi)部氣氛

考核后樣品放置半年，再進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)，對(duì)比結(jié)果見表4，示意圖見圖5。對(duì)比結(jié)果表明：經(jīng)過長時(shí)間放置，封裝腔體內(nèi)的水汽和氫氣都沒有明顯的增加，說明密封后的腔體內(nèi)沒有大量的新的水汽和氫氣生成,即新方法和傳統(tǒng)的控制方法都能有效控制水汽和氫氣的含量，而新方法控制的效果更好，更顯著。

表4放置后的樣品內(nèi)部氣氛檢測(cè)

圖5試驗(yàn)后靜止樣品內(nèi)部氣氛

5 結(jié)束語

傳統(tǒng)的密封方法可以控制封裝腔體內(nèi)的水汽和氫氣含量，使之達(dá)到普通的質(zhì)量等級(jí)的要求。本次研究中新設(shè)計(jì)的方法，其控制原理與傳統(tǒng)方法沒有本質(zhì)區(qū)別，但采用的是從源頭（原材料）開始控制，特別是加強(qiáng)對(duì)一些特殊環(huán)節(jié)的控制，必不可少的過程控制也同時(shí)兼?zhèn)?，所以這一新的方法可以很好地控制封裝腔體內(nèi)的氣氛，大幅度降低密封器件腔體內(nèi)的水汽、氫氣含量，滿足IC器件封裝的更高的質(zhì)量等級(jí)要求。