遲雷，馬春利，桂明洋

（1.中國電子科技集團公司 第十三研究所,石家莊 050051；2.國家半導體器件質(zhì)量檢驗檢測中心,石家莊 050051；3.河北諾亞人力資源發(fā)展集團有限公司金石分公司,石家莊 050000）

引言

內(nèi)部水汽含量是密封電子元器件的一項重要可靠性指標，傳統(tǒng)的合格性判據(jù)一般為5 000 ppm，這個判據(jù)相對寬松。由于大氣中水汽含量較高，而任何產(chǎn)品的漏率都不可能完全為0，水汽含量會在產(chǎn)品貯存和工作過程中緩慢上升，進而使某些敏感指標發(fā)生偏離，降低這類產(chǎn)品的出廠水汽含量對提高其長期可靠性的意義是顯而易見的。國外先進產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量基本能保持在500 ppm以下[1]，滿足該指標也被視為確保器件不會因水汽失效的最穩(wěn)妥辦法[2]。隨著國內(nèi)電子元器件封裝工藝的不斷發(fā)展，許多廠家都不再滿足目前標準規(guī)定的指標，開始革新工藝以進一步降低產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量，部分領先產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量也已經(jīng)達到500 ppm以下的水平，如中電科24所[3,4]、遼陽宏宇晶體有限公司[5]、中電科38所[6]、中電科47所[7]都先后報道過此類產(chǎn)品的封裝技術(shù)，目前也將這類500 ppm以下內(nèi)部水汽含量的產(chǎn)品封裝稱為極低水汽封裝。

極低水汽封裝給水汽含量測試技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)測試手段在應用于極低水汽封裝時測試誤差較大，不能滿足驗證新工藝新指標的要求。小體積和低含量一直是內(nèi)部水汽含量測試的兩個主要技術(shù)難點，中電科24所譚驍洪等先后研究了測試結(jié)果的影響因素（14）、小腔體試驗夾具優(yōu)化（41）等內(nèi)容，比較全面地討論了提高精度所需要的試驗條件和夾具設計原則，但未涉及測試精度的定量評估及量值溯源。本文綜合討論現(xiàn)有技術(shù)，給出一種簡便可行的量值溯源方案，以完善極低水汽含量測試的校準。

1 水汽含量測試基礎

1.1 質(zhì)譜分析法

雖然國軍標中規(guī)定了三個不同的水汽含量測試程序，但出于精度和效率的實際情況，國內(nèi)半導體檢測機構(gòu)的內(nèi)部水汽含量測試基本全部使用其程序1規(guī)定的質(zhì)譜分析法。其工作原理是利用破損裝置刺穿樣品，將器件內(nèi)部氣體抽入真空腔內(nèi)，通過電極對氣體進行離子化，利用離子在電磁場中的運動特性按質(zhì)荷比分開，形成質(zhì)譜，從而得到相關氣體的組成和體積百分含量，其中也包括水汽含量。

相關的商用測試儀器為內(nèi)部氣氛分析儀，其中的核心部分為質(zhì)譜儀，又分為四極質(zhì)譜儀和時間飛行質(zhì)譜儀，目前國內(nèi)僅有四極質(zhì)譜儀，時間飛行質(zhì)譜儀尚不掌握。本文基于四極質(zhì)譜儀開展研究，研究內(nèi)容主要為校準和測試標準化技術(shù)，可以向精度更高的時間飛行質(zhì)譜儀進行推廣。

1.2 5 000 ppm水汽含量校準技術(shù)

校準使用的標準氣體為已知濃度的目標氣體與氮氣的混合氣體，各種內(nèi)部氣氛大多采用預先制備的高壓混合氣體進行校準，并可通過氣體含量計量溯源，這些高壓氣體壓強可達10個大氣壓以上，并在常溫下貯存和使用。內(nèi)部水汽含量與其他氣氛的校準方式有很大不同，這與標準規(guī)定的合格判據(jù)有關，水汽含量的合格判據(jù)為5 000 ppm，常壓下該水汽含量即可在（-5~0）℃發(fā)生凝露，或在常溫和5個大氣壓下發(fā)生凝露，這使水汽不便于像氫氣、氧氣、甲烷等氣體一樣制備標準含量的高壓混合氣體，否則一旦發(fā)生凝露難以確定出口氣體的水汽含量。

水汽含量校準使用的標準混合氣體一般采用內(nèi)部分析儀自帶的專用的水汽發(fā)生器實時制備，氣源為純氮氣，利用蒸發(fā)器與水汽混合，再通過露點儀測定混合氣體的水汽含量。

1.3 傳統(tǒng)方法的局限性

按照現(xiàn)行國軍標要求，現(xiàn)有質(zhì)譜分析法精度在水汽含量5 000 ppm水平下滿足±10 %，即±500 ppm，該絕對誤差值已經(jīng)與極低水汽封裝的水汽含量上限相當，現(xiàn)有設備主要為滿足該水平的測試需求設計。這在水汽校準設備上的表現(xiàn)為，設備自帶水汽發(fā)生器制備氣體的水汽含量范圍無法覆蓋到5 000 ppm以下，同時制備的5 000 ppm水汽混合氣體的穩(wěn)定性也在幾百ppm的水平。即使露點儀的精度能滿足需求，因為標準氣體的水汽含量高、穩(wěn)定性不足，也無法完成500 ppm水平的水汽含量校準。

2 500 ppm水汽標準氣體的制備

獲取極低水汽標準氣體是實施極低水汽含量校準的關鍵，目前500 ppm水平的極低水汽標準氣體的制備主要有三個技術(shù)方案。

2.1 干濕混合法

干濕混合法是對原水汽發(fā)生器實施改進，將水汽發(fā)生裝置由蒸發(fā)器改為水汽飽和器，提高水汽含量的控制精度，再通過濕路與干路的配合，將飽和濕蒸汽與高純氮氣混合，降低水汽含量，需要分別采用溫度、壓力探頭和流量計檢測濕路、干路的溫度、壓強和流量，最終制備的氣體仍通過露點儀測試水汽含量。該方案將水汽含量降低到500 ppm以下，且提高了水汽含量的控制精度，理論上幾乎可以制備常用范圍內(nèi)任意濃度的水汽混合氣體，但實施成本較高，且裝置自身的誤差來源較多，要在低濃度下保證出口氣體的穩(wěn)定性，在設計加工方面有較高技術(shù)難度。

2.2 化學反應法

化學反應法采用氫氧化學反應制備水汽混合氣體。因為標準含量的氫氣-氮氣或氧氣-氮氣混合氣體易于儲存和制備，并便于計量溯源，可以利用氫氣與氧氣在鉑催化劑作用下發(fā)生非可逆化學反應的性質(zhì)制備水汽標準氣體。其中最主要的技術(shù)是將原有的單腔體校準器改為可以分別容納氫氣和氧氣的雙腔體校準器，并在其中一個腔體中置入鉑催化劑。因為空氣中含有氧氣，因此裝置中宜先通入氧氣再通入氫氣，為提高反應速率，以其中一種混合氣體定標，并使另一種過量。該方案簡單易實施，但分別需要氫氣標準氣體和氧氣標準氣體，校準程序較為繁瑣。

2.3 配氣貯存法

配氣貯存法采用與其他氣氛類似的預先制備的高壓混合氣體的方式進行。配氣方式可以采用各種靜態(tài)或動態(tài)配氣法，其中最簡單的如可以使用注射器配氣法，在高純氮氣中混入一定量的液態(tài)水，水即氣化并與氮氣混合，通過露點儀測試露點即可標定出標準的水汽含量。該方式利用了水汽露點隨濃度變化的特性，因為制備的混合氣體要通過高壓氣罐貯存和使用，僅可制備極低水汽含量的混合氣體，而不能制備較高濃度的水汽混合氣體，如500 ppm的水汽混合氣體可在10個大氣壓下保持露點在0 ℃以下，從而能保證在常溫下使用中不會發(fā)生凝露。

在以上方法中，以配氣貯存法最為簡便可靠，本文采用配氣貯存法實施500 ppm水平的水汽含量校準。

3 500 ppm水汽含量校準與測試

獲取極低水汽標準氣體后，標準化的校準流程是否適用于極低水汽含量的校準仍需要進行驗證，部分測試條件也需要進一步規(guī)范以適應極低水汽封裝測試的高精度需求，需開展實際校準和測試，分析結(jié)果。

水汽含量校準測試過程中需要控制的條件主要有校準器溫度、背景壓強、標準氣體出口流速。這些條件在所有校準和測試過程中都保持盡可能穩(wěn)定以降低誤差。

3.1 校準結(jié)果

使用的水汽標準氣體濃度為514 ppm（±2 %），校準過程共進行了10次，預先置入一個基于經(jīng)驗的校準修正量，校準結(jié)果如表1所示。

表1 500 ppm水汽含量校準結(jié)果（單位：ppm）

3.2 不同校準次數(shù)比對

傳統(tǒng)上水汽含量校準選擇3次連續(xù)測試結(jié)果，取其平均值與標準值進行倍率修正，根據(jù)以上結(jié)果分析極低水汽測試是否需要更多校準次數(shù)?，F(xiàn)分別將每2次、3次、4次、5次連續(xù)校準結(jié)果取平均值，統(tǒng)計其平均值的方差和極差

如表2所示，多次測量取平均值的方式確實可以有效降低校準偏差，使校準結(jié)果趨于集中。隨著校準次數(shù)增加，標準差和極差都呈下降趨勢，2次校準以上取平均值的結(jié)果標準差都在10 ppm以下，但受偶然因素影響，并不嚴格單調(diào)遞減。從目前的結(jié)果看，實際校準中采用3次校準即可，與5 000 ppm水平的校準原則無明顯差別。按照上述結(jié)果估計，并考慮標準氣體本身的精度，目前上述方案在500 ppm水平下的校準精度已能達到±20 ppm左右。

表2 不同校準次數(shù)結(jié)果統(tǒng)計（單位：ppm）

圖1 一種化學反應法制備水汽標氣的裝置原理圖

3.3 實際樣品測試

選用典型的極低水汽封裝產(chǎn)品10只，高溫貯存16小時后測試，重新進行3次校準后根據(jù)校準結(jié)果代入新的修正系數(shù)，再額外使用校準器執(zhí)行測試程序驗證1次，本次校準結(jié)果非常穩(wěn)定，在此基礎上進行實際樣品的測試，校準結(jié)果與測試結(jié)果如表3所示。

表3 極低水汽封裝校準與測試結(jié)果（單位：ppm）

測得的產(chǎn)品指標分布在（103~317）ppm范圍內(nèi)，均低于500 ppm的水汽含量設計指標，由此結(jié)果可知，本文校準和測試程序可以完成500 ppm以下極低水汽封裝產(chǎn)品的指標驗證。

4 結(jié)論

本文總結(jié)了現(xiàn)有的基于質(zhì)譜分析法的水汽含量校準和測試方法，分析了應用于極低水汽測試時的局限性。介紹了目前主流的三種500 ppm極低水汽標準氣體的制備方法，包括干濕混合法、化學反應法和配氣貯存法，比較了其優(yōu)劣勢。采用配氣貯存法提供500 ppm水汽標準氣體校準內(nèi)部氣氛分析儀，比較了2~5次不同校準次數(shù)對校準結(jié)果離散性的影響。結(jié)果表明原水汽含量5 000 ppm水平下，3次校準取平均值的方式仍然適用于500 ppm極低水汽，最終選取典型產(chǎn)品進行實樣測試，得到的水汽含量為（103~317）ppm，滿足低于500 ppm水汽含量的產(chǎn)品測試需求。