張雪芹，尚 忠，于建波

（煙臺市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所，山東煙臺264002）

密封微電子器件真空烘烤工藝研究

張雪芹，尚 忠，于建波

（煙臺市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所，山東煙臺264002）

重點討論氣密封裝微電子器件真空烘烤工藝，首先介紹了影響氣密封裝微電子器件內(nèi)部氣氛的主要因素，這些因素形成的原因以及對氣密封裝微電子器件的危害。影響氣密封裝微電子器件可靠性及穩(wěn)定性的內(nèi)部因素主要是水汽。分析消除氣密封裝微電子器件內(nèi)部水汽及污染物的原理及方法，并詳細(xì)分析如何通過選擇溫度、真空度、氮氣、烘烤時間以及循環(huán)次數(shù)等工藝參數(shù)，在封裝之前對氣密封裝微電子器件（在-55～125℃范圍內(nèi)釋氣）進(jìn)行真空烘烤循環(huán)工藝處理，來消除器件內(nèi)部的水汽及表面吸附的污染物。

氣密性；真空烘烤；水汽含量

1 引言

密封微電子器件廣泛應(yīng)用于航空航天、通訊、汽車電子、石油勘探等領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展，材料性能不斷提升，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也不斷提高，對其長期在極端環(huán)境應(yīng)用的可靠性、穩(wěn)定性要求愈來愈高。針對上述器件的密封，目前主要采用平行縫焊、儲能封焊、激光焊以及合金焊料熔封等焊接方式來完成，在低露點、低含氧量的高純度惰性氣體(主要為氮氣)環(huán)境下進(jìn)行封裝。在封裝之前，需要對器件在真空烘箱內(nèi)進(jìn)行真空烘烤，來去除器件內(nèi)部的水汽及其他污染物，以降低水汽及污染物對器件性能產(chǎn)生的不良影響。

2 內(nèi)部水汽對密封器件可靠性的影響

雖然密封微電子器件體積不大，但是內(nèi)部包含了大量不同材料的元件，比如基板、片、芯片、鍵合絲、導(dǎo)電膠以及未揮發(fā)的溶劑（如傳統(tǒng)濕法清洗殘留的乙醇、丙酮等），但是主要還是器件內(nèi)部吸附的水汽。水汽有4個主要來源：導(dǎo)電膠內(nèi)部含有或化合的水、內(nèi)腔內(nèi)各個表面吸附的水、氣氛中的水如反應(yīng)生成的水（如內(nèi)部鎳層等吸附氧和可伐等釋放氫反應(yīng)生成水等），這4個方面中某1個方面在不同狀況下均可能是主因，另外3個方面是次因。對于存在鋁布線、鋁絲鍵合的器件，上述各種物質(zhì)混合在一起很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可能導(dǎo)致電路失效。同時水汽還會影響電性能（因水有極大的介電常數(shù)ε=81），如聲表面波器件內(nèi)部水汽會使其產(chǎn)生參數(shù)漂移、頻率不穩(wěn)定、鋁條腐蝕失效等現(xiàn)象。因此電子器件所允許的最低濕度就是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)[1]。

假定封裝器件內(nèi)部的水汽含量用相對濕度%RH表示，則器件在加速壽命試驗時中位壽命τ計算公式為：

其中C1為常數(shù)，E為激活能量，N為模型常數(shù)，K為波爾茲曼常數(shù)，T為試驗時器件所處的絕對溫度。根據(jù)公式，器件失效前的試驗壽命與水汽含量%RH成負(fù)指數(shù)或負(fù)冪指數(shù)關(guān)系，即器件的壽命隨著器件內(nèi)部水汽含量的提高而迅速降低[2]。

因此，氣密封裝器件在封裝之前去除水汽是非常重要的。在美軍標(biāo) MIL-STD-883J及國軍標(biāo)GJB548B—2005方法1018.1中規(guī)定水汽含量小于5000×10-6。而對于某些宇航級產(chǎn)品，一些廠家通過內(nèi)控，對水汽含量的控制要求達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)，比如要求達(dá)到1000×10-6甚至100×10-6以下。

3 真空烘烤除氣原理及評價分析方法

為去除器件內(nèi)部吸附的水汽以及污染物，需要采用真空烘烤循環(huán)工藝對器件進(jìn)行烘烤除氣。針對特定的器件，為了能優(yōu)化出最佳的真空烘烤工藝，需要理解真空烘烤的基本原理及影響烘烤效果的幾個關(guān)鍵要素。

3.1 真空烘烤除氣原理

如前所述，氣密封裝器件在封裝之前，表面吸附了大量的水汽及其他未揮發(fā)的污染物。按照分子運動的原理，隨著溫度的提高，分子獲得更多的能量，分子運動加劇，使得吸附在表面的部分水汽分子、未揮發(fā)污染物脫離器件內(nèi)表面以氣態(tài)分子的方式“飛”出去，所以提高器件的溫度可以加速水汽及內(nèi)腔表面污染物分子的脫離，見圖1。

圖1 提高溫度使器件內(nèi)表面吸附物分子變化情況

真空烘烤除氣就是利用分子熱運動的原理，通過升溫加速分子運動，然后充入另外一種干燥的高純度氣體（一般采用99.999%的N2）來捕獲脫離表面的分子，并通過抽真空的方式降低水汽及污染物分子的表面壓力，從而將其隨著真空排除出腔體之外。

3.2 真空烘烤除氣的評價分析方法

器件被密封之前，為了讓吸附在內(nèi)腔表面的水汽以及其他未揮發(fā)的污染物能夠“動”起來，需要提供合適的溫度，所以溫度是第一要素。相對而言，吸附在內(nèi)腔表面的水汽通過設(shè)定合適的溫度比較容易釋放出來。

但是，對于在導(dǎo)電膠內(nèi)部含有的水汽，則需要更高的溫度來給水汽分子提供更多的能量，并通過適當(dāng)延長烘烤時間，使得水汽分子從導(dǎo)電膠內(nèi)先通過擴(kuò)散的方式慢慢滲出導(dǎo)電膠的表面，然后再由表面釋放出來。

對于和器件內(nèi)部水汽里的氫原子結(jié)合成的氧化物，因其化學(xué)應(yīng)力強(qiáng)，其應(yīng)力比吸附在器件表面的分子高約100倍以上，因此需要非常高的能量才能去除。另外，因為殘留在里面的水分子因化學(xué)變化及應(yīng)力作用，被束縛在器件表面，而且非常緩慢地釋放，所以為了完全釋放需要較長的時間。因此除了高溫烘烤、氮氣沖刷以及抽真空外，還要考慮時間因素，必須保持足夠的時間將污染物及水汽排除。

根據(jù)真空烘烤除氣的原理，溫度、烘烤時間、充氣時間、真空度是真空烘烤除氣的4個關(guān)鍵要素，也是影響真空烘烤除氣效果的決定性因素。

4 真空烘烤工藝

針對需要平行縫焊或儲能焊的氣密封裝器件，按照之前的分析，在密封之前需要在真空烘烤裝置里面進(jìn)行真空烘烤除氣。真空烘烤工藝就是通過調(diào)整溫度、烘烤時間、充氣時間、真空度4個變量，通過試驗達(dá)到最好的除氣效果。

4.1 真空烘烤裝置

真空烘烤裝置應(yīng)該具備以下特點：

（1）可以設(shè)定溫度，并能夠準(zhǔn)確控制溫度，且控溫范圍不小于待烘烤器件工藝要求的烘烤溫度，可以設(shè)定烘烤時間；

（2）有真空系統(tǒng)，裝有真空傳感器，可以抽真空，并可以顯示真空度；

（3）有充氣裝置，可以向真空烘烤裝置腔體充氣，并可以控制充氣時間。

能夠滿足上述特點的真空烘烤裝置是真空烘箱，主要有3種類型，一種是手動控制型，均為手動操作；第二種是PLC控制型，通過PLC編程控制；第三種是基于電腦控制的智能型，所有控制通過電腦軟件完成，并可以實時監(jiān)控各參數(shù)變化。

4.2 真空烘烤工藝參數(shù)選擇及優(yōu)化

溫度及烘烤時間：按照混合集成電路特質(zhì)，典型的烘烤溫度一般在120℃到150℃之間，200℃的真空烘箱是主流。對于填銀環(huán)氧樹脂芯片粘結(jié)劑的管芯需要用到300℃的真空烘箱。

主流真空烘箱有兩種加熱方式，一種是壁加熱式，另一種是隔板加熱式。壁加熱式烘箱，因為加熱絲是安裝在烘箱的壁上，熱量通過空氣介質(zhì)從烘箱的壁上傳遞到烘箱內(nèi)部支架上的器件，傳遞效率低，且器件位置的實際溫度和溫箱顯示溫度差別較大，特別是在真空狀態(tài)下，熱的傳遞效率更低。隔板加熱式真空烘箱，其加熱絲安裝在烘箱內(nèi)的水平隔板里面，隔板上面直接擺放器件，頂部安裝的是遠(yuǎn)紅外加熱絲，器件緊貼著隔板，加熱絲的熱量直接傳遞給器件，所以器件位置的實際溫度更接近烘箱顯示的溫度。

我們曾經(jīng)對國外進(jìn)口的手套箱上的兩種真空烘箱做過試驗，一種是壁加熱式，另一種是隔板加熱式，對器件放置區(qū)不同位置的溫度偏差進(jìn)行測試。在隔板上(隔板式加熱烘箱)和支架上(壁加熱式烘箱)選取11個點，見圖2，每個點放一個溫度傳感器。給真空烘箱設(shè)定兩個溫度點，一個是100℃，另外一個是200℃，每個溫度點恒溫20min，記錄11個傳感器的實測溫度。

圖2 真空烘箱器件放置區(qū)傳感器分布圖

兩種類型的真空烘箱的測量結(jié)果見表1。

表1 真空烘箱器件放置區(qū)不同位置溫度偏差實測數(shù)據(jù)

測量數(shù)據(jù)顯示，在設(shè)定100℃和200℃的條件下，隔板加熱式烘箱器件放置區(qū)域各位置的最大溫度偏差分別為5.21℃和11.9℃，而壁加熱式烘箱的最大溫度偏差分別為11.90℃和26.78℃。測試數(shù)據(jù)證明，隔板加熱式烘箱的溫度均勻度更好，而且實測的溫度更接近溫度設(shè)定值。另外，通過上面的實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，真空烘箱的隔板或支架上面的器件放置區(qū)的實測溫度和真空烘箱的設(shè)定及顯示溫度相差較大，這是因為烘箱的測溫傳感器的安裝位置和器件擺放區(qū)距離遠(yuǎn)近不同產(chǎn)生的差異。

很多工藝工程師都是依據(jù)真空烘箱顯示的溫度來進(jìn)行工藝分析，容易忽略兩個偏差，一個是真空烘箱顯示溫度和器件擺放區(qū)實際溫度的偏差，另外一個是在器件擺放區(qū)不同位置間的溫度偏差。

選擇最合適的烘烤溫度，是去除器件表面水汽及污染物的首要條件。通常來講，如果僅僅考慮去除器件表面吸附的水汽，烘烤溫度盡可能選擇得高一些，前提是不能超過混合集成電路內(nèi)部芯片、元件及基板等所能承受的極限溫度。有些芯片的工作溫度上限為125℃，所以對于大多數(shù)混合集成電路器件，125℃是比較合適的烘烤溫度。

對于宇航級或需要在惡劣環(huán)境下長期工作等要求更高的器件，則應(yīng)選擇更高的烘烤溫度，對于部分金屬封裝的氣密封裝器件，烘烤溫度可以選擇在200℃。

為了加快分子運動的速率，使得器件表面吸附的水汽及污染物盡快脫離，對于大部分產(chǎn)品，烘箱的升溫速度越快越好。所以，盡量選擇大功率、快速升溫的真空烤箱，但是應(yīng)該注意溫度的過沖不要太高，以免損傷氣密封裝器件內(nèi)部的敏感元件。

對于部分對熱沖擊比較敏感的基座，比如一些陶瓷基座，快速的熱沖擊可能會造成基座龜裂從而導(dǎo)致漏氣。所以在設(shè)定烘烤工藝文件之前，一定要向基座供應(yīng)商詳細(xì)了解基座的各項技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)不同器件的工藝要求，通常的烘烤時間從幾個小時到三天不等。

為了有效消除器件表面吸附的水汽分子及污染物，真空烘箱的真空能力應(yīng)該至少可以抽空到2.7Pa以下。

對于水汽含量要求更高的產(chǎn)品，真空度應(yīng)至少達(dá)到0.667 Pa以下。真空度越高，越能將更多水汽分子及污染物抽出真空烘箱。

同樣功率的油真空泵通常比干泵的抽速及真空能力都要強(qiáng)，但是如果采用油泵，為避免返油可能對真空烘箱內(nèi)部器件造成的油氣污染，應(yīng)該加油霧分離器及過濾器。

對于品質(zhì)要求更高的宇航級產(chǎn)品，建議采用干泵或分子泵，不會有油氣污染的潛在威脅。如果對真空度要求極高，可以考慮選擇冷凝泵，成本較高，但真空度可以到10-4Pa量級，而且抽速極快。

抽真空結(jié)束后，應(yīng)立即向真空烘箱內(nèi)充入高純度氮氣。氮氣作為載體，將捕獲的水汽及污染物分子抽出烘箱外部。對于一般應(yīng)用的氣密封裝產(chǎn)品，選擇露點約為-42℃，即水汽含量約為100×10-6的氮氣通過密封的管路充入真空烘箱進(jìn)行氣體清洗。

對于水汽含量要求更低的氣密封裝器件，應(yīng)選擇更高純度的氮氣。最好在氮氣充入真空烘箱之前，通過氮氣純化系統(tǒng)，將N2中的水汽含量及氧氣含量分別控制在1×10-6之內(nèi)。采用高純度的氮氣可以達(dá)到更好的去除水汽及污染物的效果。

4.3 真空烘烤工藝效果

在高精度石英晶體振蕩器（簡稱“晶振”）的生產(chǎn)中，在晶片點膠、芯片粘接、離子刻蝕調(diào)頻等生產(chǎn)過程中容易造成水汽以及污染物殘留，如果在密封之前不能有效消除水汽和殘留污染物，會造成器件頻率超差，阻抗變大。特別是殘留污染物，如果懸浮在晶片表面，會產(chǎn)生DLD效應(yīng)(Drive Level Dependence)[3]，即頻率/電阻的不可逆變化。晶振在進(jìn)行平行縫焊之前，采用真空烘烤工藝是消除水汽及殘留污染物的最重要手段之一。

我們進(jìn)行技術(shù)合作的一家生產(chǎn)晶振的公司，某型高精度晶振之前存在良率偏低的問題，經(jīng)過大量的試驗分析，發(fā)現(xiàn)是水汽及殘留污染物影響所致。因此，我們對其真空烘烤工藝進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)了如下幾個問題：一是真空烘箱問題，采用的是壁加熱式真空烘箱，烘箱內(nèi)靠近烘箱內(nèi)壁位置和烘箱中心位置溫差超過15℃（在100℃下恒溫20 min）；二是為了片面追求效率，溫度設(shè)定為100℃，溫度太低且烘烤時間不足；三是循環(huán)次數(shù)太少；四是真空泵采用的是油泵，有返油污染的風(fēng)險。針對存在的問題，將其真空烘箱改造成隔板加熱式，并將油泵更換成干泵，并對真空烘烤工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的真空烘烤工藝曲線見圖3。

各取10只樣品按照新舊兩種工藝加工成成品，然后在0.01 μW到100 μW的激勵功率范圍內(nèi)按照對數(shù)遞增設(shè)定20個點，對晶振里面的石英晶片的DLD2參數(shù)進(jìn)行測量，兩組樣品DLD2的DLD2測量結(jié)果及分布曲線見圖4。

根據(jù)上面的試驗結(jié)果，和舊工藝相比，DLD2平均下降了2.5 Ω，降低了DLD效應(yīng)的影響，改善了高精度晶振的頻率穩(wěn)定性及可靠性，良率提高了1.2%。

圖3 真空烘烤循環(huán)曲線

圖4 新舊真空烘烤工藝DLD2測試結(jié)果及分布曲線

5 結(jié)束語

密封微電子器件，其所用的材料、元件、生產(chǎn)工藝等各不相同，真空烘烤工藝也有所不同。需要通過大量試驗數(shù)據(jù)來找到最優(yōu)的真空烘烤工藝參數(shù)，以達(dá)到最佳的水汽含量及污染物控制效果。根據(jù)我們以前的試驗，真空烘箱內(nèi)部不同位置的溫度偏差以及顯示溫度與器件放置區(qū)實際溫度偏差對烘烤效果的影響很容易被忽視。另外，有些單位為了片面追求生產(chǎn)效率減少烘烤時間以及循環(huán)次數(shù)也會影響真空除氣的效果。

[1]丁榮崢.氣密性封裝內(nèi)部水汽含量的控制 [J].電子與封裝，2001，1(1):34-38.

[2]賈松良.封裝內(nèi)水氣含量的影響及控制 [J].電子與封裝，2002，2(6):12-14.

[3]IEC 60444-6-2013.Measurement of Quartz Crystal Unit Parameters—Part 6 Measurement of Drive Level Dependence(DLD)[S].

Studies of Vacuum Bakeout Process for Hermetic Microelectronic Devices

ZHANG Xueqin,SHANG Zhong,YU Jianbo
（Yantai Agriculture Mechnism Science Insitute,Yantai 264002,China）

The paper introduces the vacuum bakeout process for microelectronic devices.At first the major factors affecting environment inside hermetic devices and root causes are analyzed.One of the major factors is moisture.The paper then explores how to eliminate the moisture and discusses the key parameters during the process.Before the packaging vacuum bakeout cycles are implemented.

hermetic device;vacuum bakeout;moisture

TN305.94

A

1681-1070（2017）01-0006-04

張雪芹（1970—），女，山東煙臺人，畢業(yè)于青島理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)在煙臺市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所主要從事金屬材料、焊接、金屬器件封裝研究及機(jī)械與自動化設(shè)計工作。

2016-8-30