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        組件封裝腔體水汽含量超標(biāo)分析

        2018-12-24 07:42:50趙曉明
        山西電子技術(shù) 2018年6期

        趙曉明

        (中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

        0 引言

        在軍用設(shè)備方面,大量使用了各種微電路、混合電路,多芯片模塊等,隨著武器裝備的發(fā)展以及使用環(huán)境的嚴(yán)苛要求,水汽含量對組件造成的失效凸顯為重要的因數(shù)。從封裝腔體內(nèi)部來看,單單水汽一個(gè)因數(shù)是不會造成器件失效的,也不會造成腐蝕,更多的是因?yàn)樗鳛檩d體引起的腐蝕作用,導(dǎo)致電路失效。

        1 水汽的來源

        封裝腔體內(nèi)的水汽主要有三個(gè)來源:A腔體密封效果不理想導(dǎo)致的外部水汽漏入腔體內(nèi)部;B腔體內(nèi)壁,內(nèi)部材料以及內(nèi)部使用的元器件釋放的水汽;C腔體內(nèi)部氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的水。

        按照“GJB548B-2005方法1018內(nèi)部水汽含量”的要求,密封腔體內(nèi)部的水汽應(yīng)低于5 000 ppm,這是因?yàn)? 000 ppm水汽對應(yīng)的露點(diǎn)(空氣中水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度)-2 ℃(水汽含量越小,露點(diǎn)越低),而水的凝固點(diǎn)為0 ℃,故當(dāng)在封裝內(nèi)部水汽含量低于5 000 ppm時(shí),水或者以氣態(tài)或者固態(tài)冰的方式存在,就不會引起液態(tài)水造成的損傷。

        此外業(yè)界目前存在一個(gè)共識:能夠促進(jìn)腐蝕所必須的液態(tài)水量是三個(gè)單分子層厚的水,在不同尺寸的封裝內(nèi),將三個(gè)單分子層的液態(tài)水轉(zhuǎn)換成水汽會產(chǎn)生不同的含量,在大封裝內(nèi)水的體積要比小封裝內(nèi)的水的體積大得多。所以如果這些封裝的漏率相同,大封裝漏入等效于三個(gè)單分子層的液態(tài)水比小封裝需要更長的時(shí)間。

        1.1 腔體密封效果不理想導(dǎo)致外部水汽漏入腔體內(nèi)部

        對于采用金屬、陶瓷,玻璃等材料進(jìn)行封裝的腔體,可以近似的認(rèn)為這部分封裝材料是氣密的,我們可以這么認(rèn)為:經(jīng)過加壓粗、細(xì)檢并被判定合格的上述材料封裝可以忽略外面水汽的漏入。

        計(jì)算金屬到封裝內(nèi)部的水汽的方法請見以下公式:

        Lh20=-V/t[in(1-qh2o/Δph2o)].

        式中:Qh2o為漏入到封裝內(nèi)的水;V為封裝內(nèi)空余的體積,cc;t為時(shí)間,s;Lh2o為真實(shí)水汽漏率,atm.cc/s;ΔPh2o為封裝內(nèi)網(wǎng)初始水汽分壓的差值。

        1.2 腔體內(nèi)壁、內(nèi)部材料及內(nèi)部使用的元器件釋放的水汽

        目前,常規(guī)的軍表產(chǎn)品均在充滿氮?dú)獾氖痔紫鋬?nèi)進(jìn)行封裝,但即使手套箱完全密封也會含有一定的水汽,通常為20 ppm~100 ppm。同時(shí)封裝內(nèi)部的材料會釋放大量水汽,釋放水汽的量主要決定于材料的種類,制備工藝和密封前的預(yù)處理情況。釋放出的水汽主要有兩種來源:吸附在材料表面的水汽和分布在材料內(nèi)部的水汽,前者在很短的時(shí)間內(nèi)就能去除,而材料內(nèi)部的水汽則需要很長時(shí)間才能去除。一般只采用金錫、金硅、金鍺等不需要采用助焊劑的合金焊料進(jìn)行貼片的封裝內(nèi)部的水汽,通過120 ℃~130 ℃,16 h~20 h真空烘烤即可去除,從而很容易滿足封裝內(nèi)水汽小于5 000 ppm。

        而采用導(dǎo)電膠進(jìn)行貼片的封裝內(nèi),由于存在易吸水的環(huán)氧材料,一般需要更高的溫度或更長的時(shí)間才能將水汽去除,經(jīng)正常固化后的封裝經(jīng)過120 ℃~130 ℃,16 h~20 h真空烘烤,封帽后直接RGA測水汽,一般都能滿足小于5 000 ppm。如果環(huán)氧固化不充分,則需要更長的時(shí)間或更高的溫度進(jìn)行烘烤。

        如果采用助焊劑或其他的有機(jī)材料等,即使通過120 ℃~130 ℃,48 h真空烘烤也很難滿足水汽含量小于5 000 ppm。

        另外對于封裝來說,封裝內(nèi)鍍層水汽會是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題,在電鍍過程中,水汽被封閉在鍍層內(nèi),釋放出的水汽的量與鍍層的表面積成正比。小體積的封裝表面積對體積的比率比大體積的封裝大得多,被封裝在鍍金層的水汽量因電鍍工藝不同也存在著很大的差異。封裝內(nèi)部出現(xiàn)的水汽很少,約等于密封箱內(nèi)的水汽含量,通常在20 ppm~100 ppm,大部分的水汽釋放過程發(fā)生在老化和高溫工作過程,在給定的溫度下,釋放出的水汽量與時(shí)間成對數(shù)關(guān)系,主要有兩個(gè)原因:可釋放的水汽量在逐漸減少;隨著水汽的釋放,封裝內(nèi)的水汽壓力在逐漸增加,從而降低了水汽釋放的速度。

        1.3 腔體內(nèi)部氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水

        雖然理論上存在氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)的可能性,但是這個(gè)反應(yīng)的速率在常溫和常壓下非常慢,以至于多年也不能形成可以檢測到的水汽量。然而,合適的催化劑將導(dǎo)致這個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,在封裝內(nèi)氫氣和氧氣是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的問題上,目前業(yè)界仍然存在爭議。

        2 產(chǎn)品故障分析

        在實(shí)際裝配檢測過程中,存在組件水汽含量超標(biāo),針對其失效現(xiàn)象進(jìn)行分析,查找失效定位。對于封帽工藝而言,在縫焊前采用適當(dāng)?shù)臈l件進(jìn)行烘烤,立即進(jìn)行RGA試驗(yàn),確保水汽含量滿足國軍標(biāo)要求是非常容易實(shí)現(xiàn)的,但如果不對封裝材料進(jìn)行預(yù)處理直接封帽,經(jīng)過長時(shí)間的老煉或高溫烘烤后再進(jìn)行RGA試驗(yàn),封裝內(nèi)的水汽是很難滿足國軍標(biāo)要求的。

        2.1 高溫烘烤試驗(yàn)

        采用鍍金合金材料制作密封樣品,樣品內(nèi)部填充高純氮?dú)?。樣品分四組,分別在125 ℃進(jìn)行48 h,168 h,500 h,1 000 h的烘烤,測試結(jié)果如表1。測試數(shù)據(jù)顯示,隨著時(shí)間的延長,材料排放出的氣氛大部分是氫氣和少量的水汽。

        表1 內(nèi)部氣氛分析結(jié)果1

        另外,取未經(jīng)過電鍍處理的可伐材料再密封、高純氮?dú)猸h(huán)境中,密封在合適的玻璃容器中。樣品分三組,第一組是空封,進(jìn)行320 ℃,150 h烘烤,第二組有可伐材料,進(jìn)行320 ℃,100 h烘烤,第三組有可伐材料,進(jìn)行320 ℃、150 h烘烤,三組樣品分別進(jìn)行內(nèi)部氣氛含量的測量,結(jié)果如表2。

        表2 內(nèi)部氣氛分析結(jié)果2

        測試結(jié)果表明:金屬材料內(nèi)部吸附了大量的氫氣和水汽,在密封環(huán)境中,慢慢釋放在腔體內(nèi),造成氫氣中毒。

        2.2 故障數(shù)分析

        根據(jù)高溫烘烤試驗(yàn)結(jié)果,在分析封裝內(nèi)部水汽含量超標(biāo)問題時(shí)候要搞清楚測試前是否經(jīng)過長時(shí)間的高溫烘烤,因?yàn)榻?jīng)歷不同時(shí)間高溫烘烤的封裝內(nèi)部水汽含量不具備可比性,例如封帽后封裝內(nèi)部水汽正常,不代表經(jīng)過長時(shí)間高溫烘烤也正常,這不能作為評判前面工藝或操作是否正常的根據(jù)。

        因此在不考慮RGA試驗(yàn)本身異常的前提下,針對生產(chǎn)過程中某產(chǎn)品水汽含量超標(biāo)的問題可以建立如下故障樹。

        圖1 水汽含量超標(biāo)故障樹圖

        2.3 分析驗(yàn)證圖

        2.3.1 E1殼體漏氣

        外殼漏氣會導(dǎo)致封裝內(nèi)部在封帽RGA時(shí)水汽含量超標(biāo)。一般情況下,空氣中的水汽含量約為20 000 ppm,如果封裝很少泄露,封帽后立即進(jìn)行RGA試驗(yàn)時(shí)可以檢測出一定量的He。如果腔體本身大漏,空氣會通過封裝的漏孔和內(nèi)部的氣體交換,甚至達(dá)到平衡??赏ㄟ^監(jiān)測腔體中出現(xiàn)的氣體比例,如果純氮轉(zhuǎn)化為空氣氣氛比例的趨勢,則腔體大漏。總之通過He撿漏及氣體成分分析,可以判斷腔體漏氣的情況。

        2.3.2 E2封帽環(huán)境水汽含量超標(biāo)

        封帽環(huán)境對于最終產(chǎn)品的腔體水汽含量具有直接的影響,從工藝角度來分析主要存在兩種可能。E2.1封帽設(shè)備環(huán)境水汽超標(biāo)和E2.2烘烤不充分。封帽一般按照露點(diǎn)儀上的露點(diǎn)進(jìn)行控制,常規(guī)的工藝要求相對濕度小于1%RH時(shí)才可以將烘烤完畢的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到手套箱進(jìn)行封帽。如果E2.1封帽設(shè)備環(huán)境水汽超標(biāo),首先建立在露點(diǎn)儀故障的前提下,如果露點(diǎn)儀正常,排除人為不按要求操作,則封帽設(shè)備環(huán)境受控。

        2.3.2.1 E2.2封帽設(shè)備環(huán)境水汽超標(biāo)

        封帽設(shè)備環(huán)境為氮?dú)猸h(huán)境,水汽超標(biāo)的原因是輸入的氮?dú)馑瑯?biāo)引起的,氮?dú)馑瑯?biāo)的情況建立在露點(diǎn)儀故障的前提下,如果氮?dú)獗旧硭瑯?biāo),則會導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量封帽后超標(biāo)??赏ㄟ^針對同管道輸入的其他設(shè)備的產(chǎn)品進(jìn)行判斷,如果多臺套設(shè)備均出現(xiàn)水汽指標(biāo)異常則存在氮?dú)馑砍瑯?biāo)的可能性。

        2.3.2.2 E2.2烘烤不充分

        烘烤記錄需完整詳實(shí),追溯產(chǎn)品的烘烤條件以及烘烤設(shè)備的運(yùn)行情況,針對同臺設(shè)備封帽的產(chǎn)品進(jìn)行水汽分析,判斷烘烤設(shè)備是否異常,排除設(shè)備故障后,在正常操作記錄的前提下可排除烘烤不充分導(dǎo)致失效的可能。

        2.3.3 E3芯片元器件裝配過程引入水汽

        目前組件、模塊用的裝配方式主要有兩種:導(dǎo)電膠粘接和共晶焊料焊接。在這兩種工藝中分別存在E3.1導(dǎo)電膠未完全固化和E3.2助焊劑兩種引入水汽的可能。導(dǎo)電膠未完全固化分析過程類似E2.2烘烤不充分,如能排除烘烤條件和烘烤時(shí)間異常,則E3.1現(xiàn)象可排除。而E3.2助焊劑引入的水汽難以通過常規(guī)烘烤進(jìn)行水汽清除,建議使用金錫、金硅、金鍺等不需要采用助焊劑的合金焊料進(jìn)行焊接,確保腔體內(nèi)部水汽含量滿足國軍標(biāo)要求。

        2.3.4 E4外殼漏氣

        此處的外殼漏氣是在高溫儲存后RGA試驗(yàn)水汽超標(biāo)的外殼漏氣現(xiàn)象。E4外殼漏氣應(yīng)為非常細(xì)微漏氣以至于封裝后水汽含量未發(fā)現(xiàn)異常,但針對高溫儲存后的外殼細(xì)漏現(xiàn)象,檢測的首選方法還是通過He檢漏進(jìn)行確認(rèn)。

        2.3.5 E5材料水汽釋放

        如封裝后RGA檢測,水汽含量滿足國軍標(biāo)要求,經(jīng)過高溫儲存后水汽含量明顯增加,主要有兩種來源,吸附在材料表面的水汽和分布在材料內(nèi)部的水汽。前者通過正常烘烤在很短時(shí)間內(nèi)就可去除;而材料內(nèi)部的水汽則需要很長時(shí)間才能去除,材料本身、鍍層、導(dǎo)電膠、芯片及金絲表面及內(nèi)部都有可能釋放水汽導(dǎo)致封裝內(nèi)水汽含量的超標(biāo)。

        2.3.5.1 E5.1導(dǎo)電膠釋放

        導(dǎo)電膠主要由樹脂基體、導(dǎo)電粒子和分散劑等組成。環(huán)氧樹脂本身易吸水,同時(shí)導(dǎo)電膠內(nèi)各有機(jī)材料,如果固化不完全甚至固化完全的條件下,經(jīng)過長期高溫存儲,也有可能釋放出CO2,H2O、H2等,造成水汽或氫含量超標(biāo)。此外管芯和襯底的有機(jī)粘接材料在固化后存在許多空洞和氣泡,空洞和氣泡中含有水汽不易去除,密封后也會隨熱應(yīng)力的激發(fā)慢慢的釋放出水汽。因此對于導(dǎo)電膠的使用,可以依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn),選用經(jīng)多個(gè)型號產(chǎn)品使用無異常的膠類型號且對粘接后采用X光檢測其空洞情況,按照國軍標(biāo)要求進(jìn)行空洞率控制篩選。

        2.3.5.2 E5.2腔體內(nèi)材料釋放

        鍍金金屬材料內(nèi)部吸附大量的氫氣和水汽,在密封環(huán)境中,通過長時(shí)間高溫烘烤,必然會造成封裝內(nèi)部水汽和氫含量增加。管殼壁的微小劃傷等也可產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚作用,在密封時(shí)或密封后的熱應(yīng)力作用下,凝聚的水汽也會釋放出來。目前對于腔體材料釋放水汽的情況,各單位的工藝水平和使用經(jīng)驗(yàn)均存在差異,需進(jìn)一步分析研究。建議對腔體內(nèi)部鏡檢,鍍金后加熱預(yù)處理,觀察是否存在鼓泡(可利用鼓泡的產(chǎn)生定性表征含水汽的程度)等方法,排除潛在水汽超標(biāo)因素,提升產(chǎn)品成品率。

        2.3.5.3 E5.3內(nèi)部器件及材料釋放

        組件內(nèi)部裝配的主要是芯片,信號連接電路,以及起電氣互聯(lián)的金絲金帶或者鋁絲鋁帶等,隨著組件設(shè)計(jì)的發(fā)展,其中芯片及連接電路均可采用半導(dǎo)體材料及工藝實(shí)現(xiàn),選用LTCC或者HTCC,DBC等材料替換原有的PCB板,可有效降低該失效現(xiàn)象。

        3 結(jié)束語

        本文對各種微電路、混合電路,多芯片模塊等組裝器件內(nèi)部水汽含量超標(biāo)的原因進(jìn)行分類分析,并就各種原因進(jìn)行驗(yàn)證。隨著武器裝備的發(fā)展以及各種組件器件對使用環(huán)境的嚴(yán)苛要求提高,水汽含量超標(biāo)還需要進(jìn)一步解決。

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