玻璃封帽内部水汽控制技术

2014-09-19郭伟，陈陶

电子与封装 2014年7期

郭伟，陈陶

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

集成电路IC的气密性封装一般分为金锡合金熔封、平行缝焊和黑瓷低温玻璃熔封三种。由于黑瓷低温玻璃外壳（简称玻璃外壳）具有价格低廉、良好的机械、电气和化学性能而被广泛应用于军工、民品的IC封装中。但由于玻璃外壳本身的密封玻璃为多孔材料（图1），在储存和封装过程中极易吸收水分（玻璃外壳保存周期一般为半年）。故而当封装工艺不合适时，电路内部水汽波动较大，常出现水汽含量＞5 000×10-6的不合格情况（国军标GJB548B要求水汽≤5 000×10-6）。由于专用集成电路的鉴定过程复杂、鉴定周期长等特点，常有购买的外壳到正式批量使用时已经超过保质期的情况。但为了节约成本，很多情况下不得不使用过期玻璃外壳。对超过半年保质期的外壳，采用常规的外壳/盖板预烘处理措施难以保证电路内部的水汽合格。因此，如何通过改进封装工艺，使采用此种外壳封装的电路内部水汽符合≤5 000×10-6的要求，是一项必须解决的关键技术。黑瓷低温玻璃外壳剖面图如图1所示。从图1可以看出，密封玻璃部分存在明显的空洞情况。

2 集成电路内部水汽的危害

集成电路的内部水汽超标，其主要危害表现为减少器件的长期寿命和可靠性。据文献1报道，假如封装器件内的水汽含量以相对湿度%RH表示，则器件在加速寿命试验时的中位寿命τ50（T，%RH）＝C1exp（N/%RH+Eα/kT）或τ50（T，%RH）＝C2/（%RH）nexp（Eα/kT）。其中C1、C2为常数，Eα为激活能，N、n为模型常数，n＞1，k为波耳兹曼常数，T为器件试验时所处的绝对温度。

实验与上述公式均表明，气密性器件失效前的寿命与其内部水汽含量（%RH）成负指数或负幂指数关系，即器件寿命随其内部水汽含量的增加而迅速降低，这对要求长寿命高可靠性产品是极为不利的。

水汽超标造成器件寿命降低的具体原因之一，是芯片表面阴阳金属层间的水薄膜形成电解电流，逐渐造成阳极金属不断溶解而阴极金属不断析出，最后造成阳极消失或引起极间电阻性短路等[1]（见图2）。

3 玻璃封帽集成电路内部水汽超标原因分析

通常情况下，对于集成电路气密性封装，内部水汽超标的原因一般有三种情况：（1）封装环境中的水汽超标，这种情况比较容易控制，目前发生的几率亦不多；（2）封装用材料（外壳、芯片粘结材料）吸附的水汽，当电路经过封帽加热和筛选等过程后，吸附的水汽逐渐溢出到电路腔体内，引起水汽超标；（3）检测电路在检测前已经漏气，使检测数据失真而造成水汽超标。

对于集成电路玻璃封帽内部水汽超标的原因，主要表现为上述情况中的后两种。

（1）由于外壳密封所用玻璃材料为多孔结构（见图1），易吸附周围环境中的水汽。而其对水汽的吸附主要表现为水分子的毛细凝集作用和水分子的化学凝集作用[3]。为此，玻璃外壳的保存期一般不超过半年；但军用玻璃外壳大多为进口，并且是一次采购多批次使用，故使用时大多超过了外壳的保质期。因此，当采用常规封装工艺时，封装的电路经常出现水汽超标的情况。选取产线上4只采用常规工艺封装过期玻璃外壳的电路进行内部气体检测，见表1，灰线框出部分为水汽含量检测结果。