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        氦質(zhì)譜檢漏的工藝方法與檢驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

        2016-06-08 01:50:30白金浩萬聰
        速讀·下旬 2016年6期
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)方法密封標(biāo)準(zhǔn)

        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(yàn)方法,闡述了美軍標(biāo)MIL-STD-883氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)方法的最新發(fā)展,分析了積累氦質(zhì)譜試驗(yàn)方法的特點(diǎn)及要求,并探討了基于氦氣交換時(shí)間常數(shù)τHe的氦質(zhì)譜檢漏思路。

        關(guān)鍵詞:氦質(zhì)譜;密封;標(biāo)準(zhǔn);試驗(yàn)方法

        1 常用的檢漏試驗(yàn)方法

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

        細(xì)檢漏方法包括氦質(zhì)譜細(xì)檢漏、放射性同位素(Kr85)細(xì)檢漏和光干涉法細(xì)檢漏等方法。其中,放射性同位素(Kr85)細(xì)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(yán)謹(jǐn),Kr85檢測(cè)的等效標(biāo)準(zhǔn)漏率可能與氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)的漏率相差非常大,又伴有輻射,在美國(guó)應(yīng)用較為普遍,近年來又推出了Kr85熱檢漏,但國(guó)內(nèi)應(yīng)用甚少。光干涉法細(xì)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(cè),檢測(cè)效率高,近來發(fā)展較快,目前其可檢等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L已與較先進(jìn)的單級(jí)氦質(zhì)譜檢漏儀相當(dāng)。普通氦質(zhì)譜檢測(cè)儀細(xì)檢漏的最小有效可檢測(cè)量漏率判據(jù)一般為5×10Pa·cm/s(He),檢測(cè)效率較高,且無損無害,是目前應(yīng)用最為普遍的細(xì)漏檢測(cè)方法,但被檢件的表面氦氣吸附常嚴(yán)重地制約氦質(zhì)譜檢漏儀的檢測(cè)靈敏度(最小可檢漏率),并限制著判據(jù)加嚴(yán)。高靈敏積累氦質(zhì)譜檢漏儀可達(dá)1×10Pa·cm/s~2×10Pa·cm/s,為新一代檢漏技術(shù),但由于受限于檢漏原理、設(shè)備條件和表面吸附等因素,目前檢測(cè)效率較低。

        粗檢漏包括許多方法,其中可與普通氦質(zhì)譜細(xì)檢漏實(shí)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(xì)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(shè)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(shí)現(xiàn)了高真空、高信噪比的檢測(cè)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(gè)數(shù)量級(jí)。然而,較高靈敏度的實(shí)現(xiàn)依賴于更為嚴(yán)格的操作環(huán)境和條件。在MIL-STD-883J版1014.14密封試驗(yàn)方法中,對(duì)積累氦質(zhì)譜檢漏法的試驗(yàn)條件提出了更多的要求。在漏率校準(zhǔn)方面,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定優(yōu)化的校準(zhǔn)漏率為5×10Pa·cm/s,若信噪比大于100,則可測(cè)至10Pa·cm/s以下;對(duì)于抽氣系統(tǒng),每次工作前均需校準(zhǔn);對(duì)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(cè)精度;在表面吸附去除方面,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于包含玻璃、金屬、陶瓷及其組合材料的外殼,應(yīng)進(jìn)行表面氦吸附去除。這是由于精細(xì)漏率測(cè)量會(huì)對(duì)被測(cè)件表面的沾污如水汽、油脂等導(dǎo)致的氦吸附,以及夾具和設(shè)備腔室的He背景水平敏感,為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)、有效,應(yīng)對(duì)氦吸附進(jìn)行仔細(xì)去除,同時(shí)避免用裸手操作樣品。而對(duì)于吸附去除方式如氣洗、環(huán)境放置和熱烘焙,標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定熱烘焙不能在真空中進(jìn)行,以免干擾大漏樣品的粗檢結(jié)果。

        3 基于氦氣交換時(shí)間常數(shù)τHe的氦質(zhì)譜檢漏關(guān)鍵點(diǎn)

        3.1根據(jù)可靠性貯存壽命要求,細(xì)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(guān),因此,對(duì)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(yán)格。在實(shí)際的應(yīng)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(duì)應(yīng)一個(gè)固定漏率判據(jù)。這種近似處理帶來一個(gè)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(biāo)MIL-STD-883H之前的版本和我國(guó)的GJB548中對(duì)內(nèi)腔容積劃分均較粗,導(dǎo)致按同一判據(jù)考核通過的器件其貯存壽命相差甚至達(dá)幾十倍。與此不同,得益于“τHe”的直觀性,可方便地通過計(jì)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(xì)于當(dāng)前的國(guó)軍標(biāo)及美軍標(biāo),更為科學(xué)、合理。同時(shí),在最新的MIL-STD-883J版中,也采取了類似的作法,細(xì)化內(nèi)腔容積分段,但其分段是不均稱的。

        3.2突破候檢時(shí)間的局限性

        所謂候檢時(shí)間,是指被試器件從加壓去除后到開始檢漏的時(shí)間間隔。通常,在該時(shí)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(biāo)和國(guó)軍標(biāo)中對(duì)候檢時(shí)間均規(guī)定為不超過1h,以防止漏檢。然而對(duì)于批檢,由于背壓后的所有器件須在1h內(nèi)檢測(cè)完畢,可供去除氦吸附的操作時(shí)間大大縮短,造成較大樣品本底去除困難,影響檢測(cè)精度。王庚林等基于“τHe”表達(dá)方式的簡(jiǎn)潔性,系統(tǒng)地推導(dǎo)了最長(zhǎng)候檢時(shí)間的計(jì)算公式,在確保不出現(xiàn)漏檢的前提下,找到了候檢時(shí)間與密封件內(nèi)腔容積V近似成正比的關(guān)系,有效地延長(zhǎng)了最長(zhǎng)候檢時(shí)間,適應(yīng)被檢件的外形尺寸大時(shí),初始吸附氦漏率較高、自然存放衰減較慢,需要更長(zhǎng)去吸附時(shí)間的特點(diǎn)。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的檢測(cè)工作,以及將來密封判據(jù)和檢測(cè)水平提高后,需更長(zhǎng)時(shí)間以有效地去除吸附氦的影響,均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

        3.3提出二步檢測(cè)法

        為了進(jìn)一步地拓展候檢時(shí)間長(zhǎng)度,為需要時(shí)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(cè)創(chuàng)造條件,王庚林等提出了二步檢測(cè)法,即先將原“τHe”判據(jù)等級(jí)降低,按降低后判據(jù)對(duì)應(yīng)的候檢時(shí)間和測(cè)量漏率進(jìn)行第一步檢漏,剔除大漏樣品;之后可延長(zhǎng)原先的候檢時(shí)間,對(duì)通過的樣品進(jìn)行二次檢漏(細(xì)檢),并確保不出現(xiàn)漏檢。二步檢測(cè)法不僅有效地拓展了最長(zhǎng)候檢時(shí)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(cè)中影響檢漏儀的本底,使檢測(cè)更為精確、快捷,是檢漏手段的一個(gè)創(chuàng)新。

        參考文獻(xiàn):

        [1]何己有.氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)原理及應(yīng)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(yàn)方法分析[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2014,32(4):34-38.

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