呂培青，史文香（陜西華星電子集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽 712099）

石英晶體元件是一種被廣泛使用的電子元件，早期應(yīng)用在軍事通訊領(lǐng)域，隨著石英晶體元件加工技術(shù)的發(fā)展以及產(chǎn)能的增加，逐步應(yīng)用到民用產(chǎn)品，許多電子產(chǎn)品都離不開石英晶體元件，正是因?yàn)榫w具有很高的品質(zhì)因數(shù)（高Q值），使許多消費(fèi)類電子產(chǎn)品同樣具有良好品質(zhì)，沒有晶體就沒有琳瑯滿目的電子產(chǎn)品。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，整機(jī)對(duì)石英晶體元器的性能指標(biāo)要求越來越高，特別是航空、航海、野外探測(cè)、兩極探險(xiǎn)及動(dòng)力車組的運(yùn)行等，石英晶體元器的使用環(huán)境越來越嚴(yán)酷，對(duì)其自身的穩(wěn)定性提出了更高的要求，為了適應(yīng)科學(xué)的發(fā)展，滿足整機(jī)對(duì)元器件需求的日益增長(zhǎng)，我們通過對(duì)石英晶體元件加工工藝的改進(jìn)，在加工過程中增加特殊控制，降低其內(nèi)部水汽含量，達(dá)到MIL-883E、GJB548A-96、GJB33A-97標(biāo)準(zhǔn)水汽含量規(guī)定范圍的要求，具體為：100℃±5 ℃，烘24小時(shí)以上，小于5 000 ppmV[1]。可以認(rèn)為：水汽含量界線與貯存使用中密封元器件的失效和可靠性有著直接關(guān)系[6]。

1 內(nèi)部水汽的來源

1)由于石英晶體元件密封氣密性差，水汽在長(zhǎng)期貯存、環(huán)境試驗(yàn)及在相對(duì)濕度

大的環(huán)境中使用等時(shí)滲入元器件內(nèi)部而引起；

2)密封時(shí)周邊氣氛中的水汽被密封入內(nèi)腔中引起的，因密封氣氛沒有有效控制或密封臺(tái)與周圍環(huán)境密封不良而被周圍環(huán)境的濕氣所擴(kuò)散滲透；

3)內(nèi)部吸附(束縛)的水汽在高溫100 ℃±5 ℃，烘焙24小時(shí)過程中釋放出來的[2]，如玻璃絕緣子、內(nèi)腔壁、晶片粘結(jié)材料等。

2 內(nèi)部水汽對(duì)石英晶體元件造成的危害

石英晶體元件封裝形式基本上是采用密封封裝，密封封裝的產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量過高，由于采用密封封裝這些水汽又不能隨著時(shí)間而減少，這些存在于石英晶體元件內(nèi)部的水汽逐漸導(dǎo)致電連接系統(tǒng)發(fā)生各種物理、化學(xué)反應(yīng)，特別是在嚴(yán)酷的試驗(yàn)環(huán)境下，如高空、低壓、低溫等環(huán)境中水汽就會(huì)凝結(jié)成細(xì)小的水珠附著在石英晶體元件晶片的表面上，給石英晶體元件的電性能造成很大的影響，從而致使整機(jī)器件電性能參數(shù)不穩(wěn)定，嚴(yán)重的甚至使整機(jī)不工作。為了保證密封的石英晶體元件在高空、低溫環(huán)境下的可靠性，不僅需要檢測(cè)產(chǎn)品封裝的氣密性，而且需對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量進(jìn)行有效的控制。

3 內(nèi)部水汽含量的控制

3.1 石英晶體元件的組成

HC-49外形石英晶體元件的組成見圖1。

圖1 石英晶體元件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of Quartz crystal components

3.2 石英晶體元件的加工過程中產(chǎn)品水汽過程的分析

對(duì)于各種尺寸的封裝可以進(jìn)行類似的計(jì)算，針對(duì)一定的表面積相對(duì)于體積的比例r，我們可以計(jì)算出其相應(yīng)的ppm值。對(duì)于水汽控制，空腔較大的器件也有一定的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵谙嗤穆┞是闆r下，較大空腔的器件需要更多的時(shí)間使內(nèi)部達(dá)到一定的水汽含量[3]。

要控制石英晶體元件內(nèi)部水汽含量先從石英晶體元件成品加工藝開始分析，常用石英晶體元件成品加工工藝主要流程見圖2。

從石英晶體元件制作工藝流程圖中可以看出，在認(rèn)為密封很好的情況下，在封焊工序之后工序的加工，不會(huì)影響到石英晶體諧振器的內(nèi)部水汽的含量，而封焊前的各工序在加工過程中要經(jīng)過很多次的高溫烘烤，殘留在晶片表面、銀層中及銀膠中的水汽已經(jīng)剩余很少，經(jīng)我們分析影響內(nèi)部水汽含量的主要工序就是碰焊時(shí)石英晶體元件組成部分的水汽含量、碰焊過程中填充氣體的水汽含量及操作環(huán)境空氣中的水汽含量。所以要解決的難點(diǎn)就是如何去除焊時(shí)石英晶體元件組成部分的水汽含量、碰焊過程中石英晶體諧振器內(nèi)部填充氣體的水汽含量以及碰焊操作環(huán)境空氣中的水汽含量。

3.3 吸附(束縛)性水汽的去除

1)盡可能地使用低含水量和不易吸濕的材料，在我們使用的材料中容易吸濕的材料只有用于防止接地的絕緣襯套，所以我們采用不易吸濕的材料來替換易吸濕的絕緣襯套材料；

2)不使用殼體材料致密度差的外殼，選用質(zhì)地優(yōu)良的一類外殼，并在使用前進(jìn)行密封性試驗(yàn)及外觀篩選，確保封焊后元件的密封性；

3)封裝材料在貯存、封焊過程中水汽很容易被吸入，為了防止封裝材料在貯存、封焊過程中水汽被吸入，我們?cè)诜庋b材料貯存、封焊中增加除濕機(jī)進(jìn)行除濕的過程，改善貯存環(huán)境，避免材料在貯存過程中水汽被吸附；

4)粘結(jié)材料要充分固化，我們通常使用的粘結(jié)材料是環(huán)氧樹脂銀膠，為了防止在銀膠不能充分的固化，延長(zhǎng)烘烤時(shí)間，使銀膠內(nèi)部的水汽充分的釋放；

5)加熱烘烤，真空—充氮烘箱中將毛細(xì)孔隙中的水汽的排出。

3.4 密封時(shí)環(huán)境氣氛中的水汽控制

1)在密封前充分的除濕來除掉材料及粘結(jié)材料中的水分[4]，除掉這一部分的水分的最好的辦法是在300 ℃以上的高溫下進(jìn)行，但這個(gè)溫度對(duì)石英晶體元件有破壞性的影響，所以這個(gè)辦法不適用石英晶體元件的加工，對(duì)于石英晶體元件可以考慮采用除濕機(jī)來除去這一部分的水分，這樣可以很好的排除水汽，而且除濕機(jī)內(nèi)氣氛中的水汽含量很低，對(duì)內(nèi)部水汽含量要求不是特別高的產(chǎn)品，也可以在充氮?dú)獾臓t中進(jìn)行；

2)密封時(shí)采用邊抽真空邊通入高純N2的方法來縮短密封時(shí)水汽的浸入。封焊設(shè)備帶除濕氣系統(tǒng)并用溫濕度儀監(jiān)測(cè)，密封臺(tái)內(nèi)保持正壓，阻止外部高濕度的氣體滲入。氮?dú)馐呛康偷墓艿?或瓶裝)高純N2，一般在5 ppmV以下，露點(diǎn)在-69 ℃以下。抽真空充N2的時(shí)候，注意防止機(jī)械泵的廢氣倒灌而造成內(nèi)部氣氛被污染（除非是干泵）。抽真空充N2次數(shù)與內(nèi)腔N2含量的變化如圖3。

圖3 氮?dú)夂孔兓疐ig.3 Nitrogen content change

4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過各方面的控制基本上滿足了內(nèi)部水汽含量標(biāo)準(zhǔn)要求的≤5 000 ppmv ，常規(guī)工藝加工的產(chǎn)品加工的產(chǎn)品和采用特殊控制工藝加工的產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表l。

試驗(yàn)條件：

方法：按GJB3128A-97方法1018程序l；

100 ℃±5 ℃預(yù)烘焙24 h；

環(huán)境溫度：23 ℃；

環(huán)境濕度：24%RH；

表1 產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果對(duì)比Tab.1 Product test results contrast

5 結(jié) 論

測(cè)量密封元件內(nèi)部水汽含量是證明其可靠性和工藝合理性的重要步驟之一[5]，通過表l中采用兩種工藝加工的產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量測(cè)試結(jié)果對(duì)比可以看出，采用特殊控制工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量合格（該項(xiàng)檢驗(yàn)的合格判據(jù)是小于5 000 ppm[6]），達(dá)到了控制石英晶體元件內(nèi)部水汽含量的目的，使其內(nèi)部水汽含量符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提升了產(chǎn)品的性能，充分說明了我們采取的這種工藝是合理的?？蓮V泛的應(yīng)用于航空、航海、登山、兩極探險(xiǎn)及各類嚴(yán)酷的環(huán)境中使用。

[1] GJB 548A-96.微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].1996.

[2] GJB 33A-97.半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范[S].1997.

[3] 楊晨,張素娟.密封封裝內(nèi)部水汽含量判據(jù)研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2002(5):18-22.YANG Chen,ZHANG Su-juan. Encapsulation criterion of water vapor content in the research[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2002(5):18-22.

[4] 王庚林,王莉研,董立軍.電子元器件內(nèi)部水汽含量與密封性關(guān)系的研究[J].電子元器件應(yīng)用,2009(2):78-81.WANG Geng-lin,WANG Li-yan,DONG Li-jun.Electronic components and sealing steam content in the research[J].Electronic Component at Device Applications,2009(2):78-81.

[5] 吳文章.密封元器件的殘余氣氛分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2004(2):2-4.WU W en-zhang.Residual Gas Analysis of hermetic device[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2004(2):2-4.

[6] 徐愛斌.密封電子元器件內(nèi)部水汽含量問題探討[J] .電子可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2002(6):29-31.XU Ai-bin. Problem of Internal Water vapor content in domestic sealed device[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2002(6):29-31.