白金浩 萬聰

摘 要：從電子元器件氣密性封裝的原理入手，介紹了常用的檢漏試驗方法，闡述了美軍標MIL-STD-883氦質(zhì)譜檢漏試驗方法的最新發(fā)展，分析了積累氦質(zhì)譜試驗方法的特點及要求，并探討了基于氦氣交換時間常數(shù)τHe的氦質(zhì)譜檢漏思路。

關鍵詞：氦質(zhì)譜；密封；標準；試驗方法

1 常用的檢漏試驗方法

鑒于密封對電子元器件的重要性，國內(nèi)外已經(jīng)開展了多種漏率檢測技術的研究與應用。在著名的美國軍用標準最新發(fā)布的MIL-STD-883J《微電子器件試驗方法和程序》的方法1014.14中，規(guī)定了多種測量密封器件漏率的試驗方法，其中包括氦質(zhì)譜細檢漏、放射性同位素（Kr85）粗/細檢漏、碳氟化合物粗檢漏、光干涉法粗/細檢漏、染料浸透粗檢漏、增重粗檢漏和積累氦質(zhì)譜粗/細檢漏共7類方法。所謂粗/細檢漏是以等效標準漏率L=1.0Pa·cm/s為界限，一般將檢漏范圍大于該標準漏率值的稱為粗檢漏，小于的稱為細檢漏。

細檢漏方法包括氦質(zhì)譜細檢漏、放射性同位素（Kr85）細檢漏和光干涉法細檢漏等方法。其中，放射性同位素（Kr85）細檢漏所采用的公式中Kr85的壓入和外泄均按粘滯流，理論上不夠嚴謹，Kr85檢測的等效標準漏率可能與氦質(zhì)譜檢漏儀檢測的漏率相差非常大，又伴有輻射，在美國應用較為普遍，近年來又推出了Kr85熱檢漏，但國內(nèi)應用甚少。光干涉法細檢漏不受吸附漏率的影響，主要適用于具有易變形金屬或陶瓷上蓋的封裝，可用于集成在圓晶片上的MEMS等微小器件的矩陣式檢測，檢測效率高，近來發(fā)展較快，目前其可檢等效標準漏率L已與較先進的單級氦質(zhì)譜檢漏儀相當。普通氦質(zhì)譜檢測儀細檢漏的最小有效可檢測量漏率判據(jù)一般為5×10Pa·cm/s（He），檢測效率較高，且無損無害，是目前應用最為普遍的細漏檢測方法，但被檢件的表面氦氣吸附常嚴重地制約氦質(zhì)譜檢漏儀的檢測靈敏度（最小可檢漏率），并限制著判據(jù)加嚴。高靈敏積累氦質(zhì)譜檢漏儀可達1×10Pa·cm/s～2×10Pa·cm/s，為新一代檢漏技術，但由于受限于檢漏原理、設備條件和表面吸附等因素，目前檢測效率較低。

粗檢漏包括許多方法，其中可與普通氦質(zhì)譜細檢漏實現(xiàn)無縫銜接的是碳氟化合物氣泡法粗檢漏。近年來又快速地推出了放射性同位素（Kr85）、光干涉法和積累氦質(zhì)譜等粗/細組合檢漏手段。

2 積累氦質(zhì)譜檢漏方法

積累氦質(zhì)譜檢漏方法仍基于經(jīng)典的“豪威爾-曼方程”表征的分子流氣體交換原理，只是采用了新型的積累氦質(zhì)譜檢漏儀（CHLD）。該設備通過配置低溫冷凝泵氣體過濾、分子泵和四極質(zhì)譜儀等組合裝置，實現(xiàn)了高真空、高信噪比的檢測環(huán)境，檢漏靈敏度可較傳統(tǒng)的氦質(zhì)譜檢漏儀提高若干個數(shù)量級。然而，較高靈敏度的實現(xiàn)依賴于更為嚴格的操作環(huán)境和條件。在MIL-STD-883J版1014.14密封試驗方法中，對積累氦質(zhì)譜檢漏法的試驗條件提出了更多的要求。在漏率校準方面，標準規(guī)定優(yōu)化的校準漏率為5×10Pa·cm/s，若信噪比大于100，則可測至10Pa·cm/s以下；對于抽氣系統(tǒng)，每次工作前均需校準；對于凈化氣體，要求其氦含量低于1ppm，以免引入額外的氦，影響檢測精度；在表面吸附去除方面，標準規(guī)定對于包含玻璃、金屬、陶瓷及其組合材料的外殼，應進行表面氦吸附去除。這是由于精細漏率測量會對被測件表面的沾污如水汽、油脂等導致的氦吸附，以及夾具和設備腔室的He背景水平敏感，為使試驗數(shù)據(jù)真實、有效，應對氦吸附進行仔細去除，同時避免用裸手操作樣品。而對于吸附去除方式如氣洗、環(huán)境放置和熱烘焙，標準中明確規(guī)定熱烘焙不能在真空中進行，以免干擾大漏樣品的粗檢結(jié)果。

3 基于氦氣交換時間常數(shù)τHe的氦質(zhì)譜檢漏關鍵點

3.1根據(jù)可靠性貯存壽命要求，細化內(nèi)腔容積分段

由于器件失效與內(nèi)部水汽含量（即水汽所占的體積百分比）密切相關，因此，對于同樣的貯存壽命要求，不同內(nèi)腔容積器件的漏率判據(jù)不同，即：容積越大，漏率判據(jù)越寬松；容積越小，漏率判據(jù)越嚴格。在實際的應用中，為便于操作，將器件按內(nèi)腔容積范圍劃分為若干段，每段對應一個固定漏率判據(jù)。這種近似處理帶來一個問題，即歸入同一段內(nèi)的密封件的可靠性貯存壽命可能存在較大的差別。美軍標MIL-STD-883H之前的版本和我國的GJB548中對內(nèi)腔容積劃分均較粗，導致按同一判據(jù)考核通過的器件其貯存壽命相差甚至達幾十倍。與此不同，得益于“τHe”的直觀性，可方便地通過計算一定容積范圍內(nèi)貯存壽命的變化程度，藉此確定合適的容積分段。通過研究，王庚林等給出的容積均稱分段細于當前的國軍標及美軍標，更為科學、合理。同時，在最新的MIL-STD-883J版中，也采取了類似的作法，細化內(nèi)腔容積分段，但其分段是不均稱的。

3.2突破候檢時間的局限性

所謂候檢時間，是指被試器件從加壓去除后到開始檢漏的時間間隔。通常，在該時間內(nèi)器件將被自然放置或加熱烘焙以去除在外表面上吸附氦氣的影響。目前，在美軍標和國軍標中對候檢時間均規(guī)定為不超過1h，以防止漏檢。然而對于批檢，由于背壓后的所有器件須在1h內(nèi)檢測完畢，可供去除氦吸附的操作時間大大縮短，造成較大樣品本底去除困難，影響檢測精度。王庚林等基于“τHe”表達方式的簡潔性，系統(tǒng)地推導了最長候檢時間的計算公式，在確保不出現(xiàn)漏檢的前提下，找到了候檢時間與密封件內(nèi)腔容積V近似成正比的關系，有效地延長了最長候檢時間，適應被檢件的外形尺寸大時，初始吸附氦漏率較高、自然存放衰減較慢，需要更長去吸附時間的特點。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)對當前的檢測工作，以及將來密封判據(jù)和檢測水平提高后，需更長時間以有效地去除吸附氦的影響，均具有重要的應用價值。

3.3提出二步檢測法

為了進一步地拓展候檢時間長度，為需要時去除被檢件的表面吸附氦、控制本底、或使用本底更低的檢漏儀以完成更高精度的漏率檢測創(chuàng)造條件，王庚林等提出了二步檢測法，即先將原“τHe”判據(jù)等級降低，按降低后判據(jù)對應的候檢時間和測量漏率進行第一步檢漏，剔除大漏樣品；之后可延長原先的候檢時間，對通過的樣品進行二次檢漏（細檢），并確保不出現(xiàn)漏檢。二步檢測法不僅有效地拓展了最長候檢時間，而且在第一步中剔除了泄漏較大的樣品，避免這些樣品在第二步檢測中影響檢漏儀的本底，使檢測更為精確、快捷，是檢漏手段的一個創(chuàng)新。

參考文獻：

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