杜勝杰，徐立立，李煥，趙可淪，張明，明志茂

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510656）

0 引言

電子元器件的可靠性評價是指對電子元器件產(chǎn)品、半成品以及模擬樣片等，通過可靠性試驗、加速壽命試驗和快速評價技術(shù)等方法，并運用數(shù)理統(tǒng)計工具和有關(guān)模擬仿真軟件來評定其壽命、失效率或可靠性質(zhì)量等級。同時，利用可靠性篩選技術(shù)來評價產(chǎn)品是否合格，剔除早期失效的不合格品。隨著電子元器件可靠性的要求不斷提高，電子元器件向超微型化、高集成化、多功能化方向迅猛發(fā)展，對器件的可靠性評價技術(shù)日益為人們所關(guān)注。元器件的封裝氣密性成為人們逐漸關(guān)注的重點。

微電子器件從密封方面分為氣密封裝和非密封裝，高等級集成電路和半導(dǎo)體分立器件通常采用氣密封裝，多采用金屬、陶瓷、玻璃封裝，內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，充有高純氮氣或其它惰性氣體。工業(yè)級和商業(yè)級器件通常采用塑封工藝，沒有空腔，芯片是被聚合材料整個包裹住，屬于非氣密封裝。有研究表明，氣密封裝元器件可靠性要比非氣密封裝高出很多[1]。

考核產(chǎn)品氣密性的主要方式是通過檢漏和檢測器件內(nèi)部水汽含量。元器件檢漏，通常在篩選階段，通過粗檢漏和細檢漏可以剔除不合格樣件。作為破壞性物理分析技術(shù)的必檢項目，氣密性元器件的內(nèi)部氣體分析是確定產(chǎn)品制造工藝的穩(wěn)健性和產(chǎn)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 內(nèi)部水汽含量對元器件可靠性的影響

隨著對元器件的可靠性水平要求不斷提高，人們對影響器件可靠性的因素做了大量的研究。研究表明，封裝內(nèi)部水汽，對密封電子元器件的性能、壽命和可靠性均有危害性影響。

通常氣密封裝元器件可靠性要比非氣密封裝高一個數(shù)量級以上，氣密封裝元器件一般按軍標、宇航標準嚴格控制設(shè)計、生產(chǎn)、測試、檢驗等多個環(huán)節(jié)，失效率低，多用于高可靠應(yīng)用領(lǐng)域。

非密封器件，多用于環(huán)境條件較好，可靠性要求不太高的民用電子產(chǎn)品上。氣密封裝器件散熱性好，環(huán)境適應(yīng)性更強，軍品和宇航級元器件額定工作環(huán)境溫度能達到-55～125℃。而塑封非氣密封裝器件大部分商業(yè)級額定工作環(huán)境溫度為0～70℃，工業(yè)級額定工作環(huán)境溫度為-40～85℃，散熱性較差。

國內(nèi)對元器件內(nèi)部氣體分析，按照GJB 548B-2005的測試要求，主要規(guī)定100℃烘烤24h以上，容積為0.01cm3至0.85cm3的封裝內(nèi)部水汽含量要求不高于5000ppm，且對水汽敏感器件或宇航級器件加嚴到2000ppm以下，但對其他氣體含量并無明確的定量規(guī)定[2]。這說明，內(nèi)部氣體分析中，水汽含量的控制尤為重要。

研究表明，封裝器件內(nèi)的水汽含量以相對濕度%RH表示，則器件在加速壽命試驗時的中位壽命可表示為：

其中：C1、C2為常數(shù)，Eα為激活能，N、n為模型常數(shù)，n＞1，k為波耳茲曼常數(shù)，T為器件試驗時所處的絕對溫度。

中位壽命τ50是指可靠度為50%時的可靠壽命，即有一半產(chǎn)品產(chǎn)生故障。上述公式表明，合格的器件壽命與其內(nèi)部水汽含量（%RH）成負指數(shù)或負冪指數(shù)關(guān)系，即隨著內(nèi)部水汽含量的增加，器件壽命迅速降低，對于長壽命高可靠性產(chǎn)品極為不利[3-5]。

徐愛斌在研究中，對多組國產(chǎn)元器件進行測試，并進行低溫加電工作壽命試驗，結(jié)果顯示大多數(shù)國產(chǎn)半導(dǎo)體器件露點溫度大于0℃，同時低溫試驗中中位壽命較長，電參數(shù)穩(wěn)定性較好的兩種器件，其露點溫度同樣為最低[6]。顧振球等通過對30只國產(chǎn)軍用器件進行4000小時壽命研究，指出器件失效機理為：因水汽引起芯片電性能劣化[7]。封裝內(nèi)部水汽對器件的影響在500小時前極為敏感，露點溫度越高，器件性能劣化越明顯，腐蝕現(xiàn)象也越多。這表示封裝內(nèi)部水汽含量偏高，是影響器件可靠性的重要原因之一。

從廣義上來講，與封裝內(nèi)水汽相關(guān)的器件失效模有很多[8-9]。大致為：①腐蝕失效：鍵合點的腐蝕物的產(chǎn)生，導(dǎo)致鍵合截面的接觸電阻增大，鍵合強度嚴重下降，最終導(dǎo)致鍵合點脫鍵，形成開路，元器件功能失效。②電遷移、金屬遷移：樹枝狀結(jié)晶的生長、離子沾污、金屬化合物形成等現(xiàn)象，易造成電路的短路或燒毀。③機械損傷：充水裂紋的表面張力會引起裂紋迅速擴展，同時是陶瓷外殼和鈍化層裂紋的加速器，易造成氧化層分層和開裂，從而造成元器件失效。④界面分層：玻璃膠粘接分層、有機芯片粘接分層、塑料中的熱忱開裂、塑料封裝和混合電路的爆米花效應(yīng)等易導(dǎo)致電路失效，影響器件功能參數(shù)。

元器件的這些失效模式均會影響器件參數(shù)穩(wěn)定及降低貯存及使用壽命，降低元器件的可靠性。封裝內(nèi)部水汽含量越高，當環(huán)境溫度下降到露點時，吸附在芯片表面的水汽會形成漏電通道，導(dǎo)致元器件漏電流增大，器件參數(shù)超差，甚至成為引起器件內(nèi)部污染物電化學反應(yīng)的電解質(zhì)，降低元器件的可靠性[3]。

2 封裝內(nèi)部水汽來源及控制方法

國產(chǎn)軍用氣密性封裝元器件，按照GJB 548B-2005或GJB128A-1997的規(guī)定，100℃烘烤24h以上，器件內(nèi)部水汽含量要求不高于5000ppm。實際生產(chǎn)、使用過程中器件內(nèi)部水汽含量控制在1000ppm以內(nèi)，才能夠更大限度的保證器件可靠性運行。那么對水汽含量的控制，就成為各企業(yè)關(guān)注的重點。

2.1 封裝內(nèi)部水汽來源

一般來講，對半導(dǎo)體分立器件及混合集成電路氣密性封裝，內(nèi)部水汽含量超標與原因通常有以下幾點：①管殼自身缺陷，使用不合格管殼，造成水汽檢測不合格。②元器件封裝環(huán)境內(nèi)濕度水汽超標，引起封裝后器件內(nèi)部水汽含量超標。③封裝材料如器件外殼、芯片粘接介質(zhì)自帶水汽，在封裝前烘烤階段沒有完全除凈，封裝完畢后再高溫存儲或篩選過程中，吸附的水汽逐漸溢出到器件內(nèi)腔，造成水汽超標。④器件封裝不合格，密封缺陷導(dǎo)致水汽含量超標。

2.2 封裝內(nèi)部水汽控制措施

2.2.1 物料質(zhì)量控制

對一些器件測試過程中發(fā)現(xiàn)，部分器件水汽含量不合格，是由器件外殼自身缺陷造成，比如玻璃絕緣子裂紋、陶瓷管殼裂紋等問題所致，所以投產(chǎn)前對物料的嚴格篩選把關(guān)尤為重要，尤其對高可靠性要求元器件，一旦缺陷外殼流入產(chǎn)線，投入使用，會影響整機質(zhì)量，甚至造成重大損失。因此減少或避免因管殼自身缺陷造成的失效，就要求嚴格把控人員和物料因素[10]。

2.2.2 控制封裝環(huán)境內(nèi)氣體氛圍

近年來大部分生產(chǎn)廠家，雖有先進的封裝技術(shù)，但水汽含量不達標者仍然不少，這就說明封裝技術(shù)和封裝工藝的重要性。晶體管、光電耦合器等電路，多采用儲能焊、平行封焊等工藝進行封口。對于封焊機也多采用高純氮氣作為保護氣體，但由于半成品的流轉(zhuǎn)及封口箱密封性問題，箱內(nèi)的干燥氮氣易與周圍環(huán)境的潮濕氣體混合，而造成箱內(nèi)氣體氛圍的濕度明顯增大。因此改善封裝內(nèi)的水汽含量，首先需要必須控制產(chǎn)品流轉(zhuǎn)流程并改善封口箱的密封性，以保證封裝環(huán)境內(nèi)水汽含量低于工藝及標準要求[11]。

2.2.3 封裝材料吸附水汽控制措施

器件封口前，封裝材料吸附的水汽，通常要經(jīng)過高溫烘烤，才能進行最后封口操作。其目的也是為了提高器件溫度，加速腔內(nèi)及封裝材料與所吸附水汽的脫離。采用真空烘烤除氣，利用分子熱運動，升溫加速分子運動，同時充入高純氣體捕獲脫離器件的分子，通過抽真空方式降低水汽表面壓力，從而隨著真空排出器件腔外，是有效減少封裝材料吸附水汽措施之一。談侃侃通過對氣密性封裝內(nèi)水汽研究發(fā)現(xiàn)，不管何種導(dǎo)電膠，烘烤后的效果均好于未烘烤，并且隨之烘烤時間延長，水汽含量逐步降低。管殼清洗后進行150℃/8h的烘烤，隨封裝內(nèi)水汽和氣氛都有改善[12]。

烘烤的時間、烘烤溫度則是影響烘烤降低器件內(nèi)部水汽含量的關(guān)鍵因素。通常為加快分子運動，對于大部分產(chǎn)品，烘烤升溫速度越快越好。但對于對熱沖擊敏感的陶瓷類產(chǎn)品，熱沖擊可能會造成陶瓷管殼龜裂而導(dǎo)致漏氣。所以每種器件烘烤工藝流程和工藝條件的確定，因管殼選用材質(zhì)、粘接材料的差別而不同。如何合理選用烘烤時間和溫度，需要根據(jù)管殼指標，通過工藝對比試驗來確定。

2.2.4 封裝工藝控制措施

密封缺陷主要是蓋板密封口機械強度差或密封面存在薄弱處，這些缺陷容易在機械應(yīng)力、腐蝕等環(huán)境下形成漏氣孔，外界環(huán)境中氣體進入腔體，造成水汽含量超標。同時，如果漏孔被腐蝕物或雜質(zhì)堵塞，影響篩選檢漏結(jié)果，無法剔除漏氣器件。在篩選、考核過程中需防止器件被沾污，器件表面有異物的，在做檢漏前一定要做漏孔恢復(fù)，避免篩選漏檢。密封缺陷多見于平行縫焊和儲能焊，尤其是大腔體器件及TO封裝器件。對于合金焊料封帽，在選擇設(shè)計蓋板厚度及合金焊環(huán)寬度時，應(yīng)留有足夠的冗余量，工藝中要進行嚴格控制，以免在縫焊中造成管可與蓋板封接面的未完全浸潤，或因腔內(nèi)氣體排擠風截面變窄，形成漏氣孔，造成漏氣，從而影響密封質(zhì)量[1,10]。

3 結(jié)論

封裝腔體內(nèi)的水汽含量與產(chǎn)品的可靠性、壽命密切相關(guān)。要提高元器件的使用、貯存可靠性和環(huán)境適應(yīng)性，就不能忽視封裝內(nèi)部水汽對器件的危害。對于可靠性要求比較高的氣密性封裝元器件，例如軍用電子元器件，需要從生產(chǎn)起初，不斷優(yōu)化、把控封裝工藝，嚴格控制器件內(nèi)部水汽含量，降低器件失效概率，以保證軍用電子元器件長期使用的質(zhì)量與可靠性。