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:
[1]何己有.氦質(zhì)譜檢漏儀檢測原理及應用[J].聚酯工業(yè),2011,24(2):54-57.
[2]安琪、羅曉羽.氦質(zhì)譜檢漏試驗方法分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗,2014,32(4):34-38.