歐熠，王堯，冉龍明，張怡

（1.重慶聲光電技術(shù)研究所，重慶400060；2.中國人民解放軍空軍駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶400060）

一種航天用光電耦合器內(nèi)部氣氛含量優(yōu)化控制

歐熠1，王堯1，冉龍明2，張怡1

（1.重慶聲光電技術(shù)研究所，重慶400060；2.中國人民解放軍空軍駐重慶地區(qū)軍事代表室，重慶400060）

光電耦合器內(nèi)部氣氛含量過高會加速光電耦合器的失效，光電耦合器的壽命與內(nèi)部氣氛含量呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，即壽命隨內(nèi)部氣氛含量的提高而迅速降低。介紹了光電耦合器內(nèi)部氣氛含量的控制方法，通過優(yōu)化和改進(jìn)管殼除氫工藝、（管殼和芯片）清洗工藝、（內(nèi)瓷片和芯片）燒結(jié)工藝、助焊劑清洗工藝、平行封焊工藝，使一種氣密性陶瓷封裝光電耦合器內(nèi)部氣氛含量得到了優(yōu)化和控制。

優(yōu)化控制；光電耦合器；內(nèi)部氣氛含量

1 引言

對于氣密性陶瓷封裝光電耦合器內(nèi)部氣氛的分析，國內(nèi)研究比較多的是水汽含量[2～6]，文獻(xiàn)表明氣密性陶瓷封裝光電耦合器的內(nèi)部氣氛中水汽含量（體積比）已很好地控制在5 000×10-6以下，通?？梢跃S持在1 000×10-6的水平[7～9]。但對于航天用光電耦合器而言，只控制水汽含量不能保證器件長期和嚴(yán)酷環(huán)境下的可靠性，還需對二氧化碳、氧氣、氫氣含量進(jìn)行控制。

內(nèi)部氣氛含量過高會對光電耦合器造成惡劣的影響，具體如表1所示[10]。

因此，為滿足航天某項目的要求，提出了對某型號光電耦合器內(nèi)部氣氛含量的控制要求，對器件內(nèi)部水汽、氧氣、氫氣和二氧化碳的控制做出了明確的指標(biāo)要求：內(nèi)部水汽含量≤3 000×10-6，內(nèi)部氧氣含量≤4 000×10-6，內(nèi)部氫氣含量≤2 500×10-6，內(nèi)部二氧化碳含量≤5 000×10-6。

表1 內(nèi)部氣氛含量對光電耦合器的影響

2 實驗要求

本文介紹一種航天用氣密性陶瓷封裝光電耦合器內(nèi)部氣氛含量的控制與改進(jìn)措施，以求達(dá)到項目要求。按照圖1所示工藝生產(chǎn)流程，每批次制作60只樣品，對樣品進(jìn)行篩選試驗和穩(wěn)態(tài)壽命試驗，制作樣品的外殼為陶瓷金屬外殼（氧化鋁陶瓷），封裝工藝為平行封焊氣密性封裝。

圖1 樣品生產(chǎn)流程圖

在整個工藝生產(chǎn)流程中，影響樣品內(nèi)部氣氛含量的工藝主要為管殼除氫工藝、（管殼和芯片）清洗工藝、（內(nèi)瓷片和芯片）燒結(jié)工藝、助焊劑清洗工藝、平行封焊工藝。

3 實驗過程

在樣品生產(chǎn)完成之后，分成A、B、C 3組（每組20只樣品），A組直接進(jìn)行氣氛檢測（隨機抽取5只）；B、C組進(jìn)行篩選試驗，篩選試驗按照以下順序進(jìn)行：穩(wěn)定性烘焙，溫度循環(huán)，恒定加速度，PIND（粒子碰撞噪聲檢測試驗），高溫反偏，篩選試驗完成后B組進(jìn)行氣氛檢測（隨機抽取5只）；C組樣品繼續(xù)進(jìn)行高溫1000 h穩(wěn)態(tài)壽命試驗，在穩(wěn)態(tài)壽命試驗完成后進(jìn)行氣氛檢測（隨機抽取5只）。

通過對3組樣品氣氛含量的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，找出影響各種氣氛含量的原因，并針對性地對工藝條件進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。利用改進(jìn)后的工藝條件再制作下一批試驗樣品，分析氣氛含量檢測結(jié)果，如滿足項目要求，則固化工藝生產(chǎn)條件；如不滿足項目要求，則繼續(xù)分析改進(jìn)，直至氣氛含量達(dá)到要求。

3.1 第一批樣品

3.1.1 實驗結(jié)果及分析

按照本單位原有的生產(chǎn)工藝條件（管殼除氫溫度160℃，時間8 h，真空度≤2 Torr；管殼清洗后去離子水沖洗2次；管殼清洗后烘烤溫度為125℃，烘烤時間1 h；共晶焊工藝中氫氣保護(hù)；封裝前無高溫烘焙和真空烘焙步驟）生產(chǎn)了第一批樣品，在各階段后得到內(nèi)部氣氛含量結(jié)果如表2和圖2所示。下述氣氛含量值為5只樣品氣氛含量的平均值。

表2 第一批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

圖2 第一批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，采用此工藝條件生產(chǎn)的樣品在生產(chǎn)完成后進(jìn)行氣氛檢測滿足項目氣氛要求，4種氣氛含量都小于2000×10-6；但隨著環(huán)境應(yīng)力（篩選試驗和穩(wěn)態(tài)壽命試驗）的影響，水汽、氫氣、二氧化碳含量顯著增加，最高接近8000×10-6。

在篩選和穩(wěn)態(tài)壽命試驗之后，燒結(jié)過程中的助焊劑等物質(zhì)生成氧氣，但是由于氧氣與其他物質(zhì)反應(yīng)又有所消耗，所以氧氣含量只是略有上升。本身吸附于管殼殼體上的氫氣（包括鍍層、金屬基材和陶瓷空隙中吸附的）溢出導(dǎo)致氫氣含量上升；而二氧化碳和水汽含量上升是由于管殼清洗過程中殘留的有機物分解，還有一部分是由于氧氣與其他物質(zhì)反應(yīng)生成。

可以看出，原有生產(chǎn)工藝條件無法對氣氛含量進(jìn)行有效控制，不能滿足項目對氣氛的要求，需對生產(chǎn)工藝條件進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.2 優(yōu)化措施

結(jié)合以上氣氛檢測結(jié)果，對影響內(nèi)部氣氛含量的工藝條件進(jìn)行優(yōu)化，制定措施指導(dǎo)下一批樣品生產(chǎn)，具體如表3所示。

表3 第一次優(yōu)化措施

3.2 第二批樣品

3.2.1 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)優(yōu)化措施進(jìn)行第二批樣品的生產(chǎn)、篩選試驗、穩(wěn)態(tài)壽命試驗，得到各階段內(nèi)部氣氛含量如表4和圖3所示。

表4 第二批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

圖3 第二批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

由圖3可以看出產(chǎn)品內(nèi)部氣氛含量得到一定控制，但氧氣和氫氣仍未能控制在較好的水平。在生產(chǎn)和篩選完成時，氧氣含量為3000×10-6左右，而氫氣和二氧化碳含量在穩(wěn)態(tài)壽命試驗之后分別增加到了3000×10-6和2000×10-6左右。

生產(chǎn)完成后樣品氧氣含量較多主要是在芯片和內(nèi)瓷片共晶焊燒結(jié)工藝引入的，在燒結(jié)時，助焊劑用量多少直接影響樣品內(nèi)部氧氣含量，而且在燒結(jié)時去掉氫氣保護(hù)，也導(dǎo)致氧氣未被還原而含量較高；穩(wěn)態(tài)壽命試驗后氫氣增加主要是由于管殼除氫時未能完全除盡，在高溫長時間加電的情況下溢出；在高溫長時間加電情況下氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成二氧化碳，導(dǎo)致二氧化碳含量增加。

3.2.2 優(yōu)化措施

綜合以上實驗結(jié)果分析，制定以下優(yōu)化措施指導(dǎo)下一批樣品生產(chǎn)，具體如表5所示。

表5 第二次優(yōu)化措施

3.3 第三批樣品

3.3.1 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)攻關(guān)措施進(jìn)行第三批樣品的生產(chǎn)、篩選試驗和穩(wěn)態(tài)壽命試驗，得到各階段內(nèi)部氣氛含量如表6和圖4所示。

表6 第三批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

圖4 第三批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

由圖4可以看出，生產(chǎn)完成后各項氣體成份含量合格，但氧氣整體含量相對較高。

篩選試驗后，氧氣與有機物進(jìn)行反應(yīng)，充當(dāng)反應(yīng)氣體含量降低；水汽含量略有下降，說明內(nèi)部水汽不再繼續(xù)產(chǎn)生，達(dá)到較穩(wěn)定水平；氫氣含量基本穩(wěn)定，說明除氫工藝、烘烤工藝及清洗工藝等措施有效，可以有效控制氫氣在后期的析出；二氧化碳含量基本穩(wěn)定，說明控制二氧化碳含量的措施有效。

3.3.2優(yōu)化措施

綜合以上實驗結(jié)果分析，制定以下優(yōu)化措施指導(dǎo)下一批樣品生產(chǎn)，主要針對氧氣含量進(jìn)行控制，具體如表7所示。

表7 第三次優(yōu)化措施

3.4 第四批樣品

總結(jié)以上各批次樣品內(nèi)部氣氛含量結(jié)果，對各個批次影響內(nèi)部氣氛含量的工藝因素進(jìn)行了總結(jié)，再次適當(dāng)優(yōu)化了生產(chǎn)過程中與內(nèi)部氣氛含量相關(guān)的工藝條件，制作了第四批樣品器件，得到內(nèi)部氣氛含量結(jié)果如表8和圖5所示。

表8 第四批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

圖5 第四批樣品各階段內(nèi)部氣氛含量

由圖5可以看出，第四批樣品內(nèi)部氧氣含量與第三批樣品內(nèi)部氧氣含量相比，得到了很好的控制，生產(chǎn)完成時接近900×10-6（氧氣含量降低了一半），而且其他各種氣體成分含量也都維持在500×10-6以下；在篩選試驗和穩(wěn)態(tài)壽命試驗完成之后，內(nèi)部氣氛含量也都保持在較低的水平。第四批樣品內(nèi)部氣氛含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于項目要求的內(nèi)部氣氛含量，內(nèi)部氣氛含量得到了優(yōu)化與控制。

4 結(jié)論

通過多批次樣品的制作，分析影響樣品內(nèi)部氣氛含量的因素，優(yōu)化樣品制作的生產(chǎn)工藝條件，包括增加管殼除氫的溫度與時間，增加管殼清洗工藝的清洗時間與清洗完成后的沖洗次數(shù)及其烘烤時間，去掉共晶焊燒結(jié)工藝中的氫氣保護(hù)，增加共晶焊燒結(jié)之后清洗工藝的清洗次數(shù)及其烘烤溫度，在封裝之前增加高溫烘焙和真空烘焙過程等，使該型號光電耦合器內(nèi)部氣氛含量達(dá)到了項目要求，同時能對以后其他型號產(chǎn)品內(nèi)部氣氛含量控制起到一定的指導(dǎo)作用。

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Studies on Optimization and Control of Internal Atmosphere Content for Aerospace Optoelectronic Coupler

OU Yi1,WANG Yao1,RAN Longming2,ZHANG Yi1
（1.Chongqing Intitute of Optoelectronic Technology,Chongqing 400060,China；2.Military Representative Office of the PLA Air Force Stationed in Chongqing,Chongqing 400060,China）

High levels of internal atmosphere content in optoelectronic coupler may cause failure to occur. The lifetime and internal atmosphere content are of a negative exponential relationship meaning that the lifetime of optical coupler is rapidly decreased with the increase of the internal atmosphere content.The paper introduces the control method of atmosphere content in an optical coupler.In the paper,the technology of dehydrogenation of shell,cleaning process(shell and chip),sintering process(tiles and chip),flux cleaning process and parallel seam welding process are presented.

optimization and control;optical coupler;internal atmosphere content

TN305.94

A

1681-1070（2017）02-0009-04

歐熠（1981—），男，四川富順人，高級工程師，2003年畢業(yè)于電子科技大學(xué)光電工程系，主要從事光電耦合器件的設(shè)計與工藝研究。

2016-9-12