氦质谱检漏的工艺方法与检验关键点

白金浩 万聪

摘 要：从电子元器件气密性封装的原理入手，介绍了常用的检漏试验方法，阐述了美军标MIL-STD-883氦质谱检漏试验方法的最新发展，分析了积累氦质谱试验方法的特点及要求，并探讨了基于氦气交换时间常数τHe的氦质谱检漏思路。

关键词：氦质谱；密封；标准；试验方法

1 常用的检漏试验方法

鉴于密封对电子元器件的重要性，国内外已经开展了多种漏率检测技术的研究与应用。在著名的美国军用标准最新发布的MIL-STD-883J《微电子器件试验方法和程序》的方法1014.14中，规定了多种测量密封器件漏率的试验方法，其中包括氦质谱细检漏、放射性同位素（Kr85）粗/细检漏、碳氟化合物粗检漏、光干涉法粗/细检漏、染料浸透粗检漏、增重粗检漏和积累氦质谱粗/细检漏共7类方法。所谓粗/细检漏是以等效标准漏率L=1.0Pa·cm/s为界限，一般将检漏范围大于该标准漏率值的称为粗检漏，小于的称为细检漏。

细检漏方法包括氦质谱细检漏、放射性同位素（Kr85）细检漏和光干涉法细检漏等方法。其中，放射性同位素（Kr85）细检漏所采用的公式中Kr85的压入和外泄均按粘滞流，理论上不够严谨，Kr85检测的等效标准漏率可能与氦质谱检漏仪检测的漏率相差非常大，又伴有辐射，在美国应用较为普遍，近年来又推出了Kr85热检漏，但国内应用甚少。光干涉法细检漏不受吸附漏率的影响，主要适用于具有易变形金属或陶瓷上盖的封装，可用于集成在圆晶片上的MEMS等微小器件的矩阵式检测，检测效率高，近来发展较快，目前其可检等效标准漏率L已与较先进的单级氦质谱检漏仪相当。普通氦质谱检测仪细检漏的最小有效可检测量漏率判据一般为5×10Pa·cm/s（He），检测效率较高，且无损无害，是目前应用最为普遍的细漏检测方法，但被检件的表面氦气吸附常严重地制约氦质谱检漏仪的检测灵敏度（最小可检漏率），并限制着判据加严。高灵敏积累氦质谱检漏仪可达1×10Pa·cm/s～2×10Pa·cm/s，为新一代检漏技术，但由于受限于检漏原理、设备条件和表面吸附等因素，目前检测效率较低。

粗检漏包括许多方法，其中可与普通氦质谱细检漏实现无缝衔接的是碳氟化合物气泡法粗检漏。近年来又快速地推出了放射性同位素（Kr85）、光干涉法和积累氦质谱等粗/细组合检漏手段。

2 积累氦质谱检漏方法

积累氦质谱检漏方法仍基于经典的“豪威尔-曼方程”表征的分子流气体交换原理，只是采用了新型的积累氦质谱检漏仪（CHLD）。该设备通过配置低温冷凝泵气体过滤、分子泵和四极质谱仪等组合装置，实现了高真空、高信噪比的检测环境，检漏灵敏度可较传统的氦质谱检漏仪提高若干个数量级。然而，较高灵敏度的实现依赖于更为严格的操作环境和条件。在MIL-STD-883J版1014.14密封试验方法中，对积累氦质谱检漏法的试验条件提出了更多的要求。在漏率校准方面，标准规定优化的校准漏率为5×10Pa·cm/s，若信噪比大于100，则可测至10Pa·cm/s以下；对于抽气系统，每次工作前均需校准；对于净化气体，要求其氦含量低于1ppm，以免引入额外的氦，影响检测精度；在表面吸附去除方面，标准规定对于包含玻璃、金属、陶瓷及其组合材料的外壳，应进行表面氦吸附去除。这是由于精细漏率测量会对被测件表面的沾污如水汽、油脂等导致的氦吸附，以及夹具和设备腔室的He背景水平敏感，为使试验数据真实、有效，应对氦吸附进行仔细去除，同时避免用裸手操作样品。而对于吸附去除方式如气洗、环境放置和热烘焙，标准中明确规定热烘焙不能在真空中进行，以免干扰大漏样品的粗检结果。

3 基于氦气交换时间常数τHe的氦质谱检漏关键点

3.1根据可靠性贮存寿命要求，细化内腔容积分段

由于器件失效与内部水汽含量（即水汽所占的体积百分比）密切相关，因此，对于同样的贮存寿命要求，不同内腔容积器件的漏率判据不同，即：容积越大，漏率判据越宽松；容积越小，漏率判据越严格。在实际的应用中，为便于操作，将器件按内腔容积范围划分为若干段，每段对应一个固定漏率判据。这种近似处理带来一个问题，即归入同一段内的密封件的可靠性贮存寿命可能存在较大的差别。美军标MIL-STD-883H之前的版本和我国的GJB548中对内腔容积划分均较粗，导致按同一判据考核通过的器件其贮存寿命相差甚至达几十倍。与此不同，得益于“τHe”的直观性，可方便地通过计算一定容积范围内贮存寿命的变化程度，藉此确定合适的容积分段。通过研究，王庚林等给出的容积均称分段细于当前的国军标及美军标，更为科学、合理。同时，在最新的MIL-STD-883J版中，也采取了类似的作法，细化内腔容积分段，但其分段是不均称的。

3.2突破候检时间的局限性

所谓候检时间，是指被试器件从加压去除后到开始检漏的时间间隔。通常，在该时间内器件将被自然放置或加热烘焙以去除在外表面上吸附氦气的影响。目前，在美军标和国军标中对候检时间均规定为不超过1h，以防止漏检。然而对于批检，由于背压后的所有器件须在1h内检测完毕，可供去除氦吸附的操作时间大大缩短，造成较大样品本底去除困难，影响检测精度。王庚林等基于“τHe”表达方式的简洁性，系统地推导了最长候检时间的计算公式，在确保不出现漏检的前提下，找到了候检时间与密封件内腔容积V近似成正比的关系，有效地延长了最长候检时间，适应被检件的外形尺寸大时，初始吸附氦漏率较高、自然存放衰减较慢，需要更长去吸附时间的特点。这一规律的发现对当前的检测工作，以及将来密封判据和检测水平提高后，需更长时间以有效地去除吸附氦的影响，均具有重要的应用价值。

3.3提出二步检测法

为了进一步地拓展候检时间长度，为需要时去除被检件的表面吸附氦、控制本底、或使用本底更低的检漏仪以完成更高精度的漏率检测创造条件，王庚林等提出了二步检测法，即先将原“τHe”判据等级降低，按降低后判据对应的候检时间和测量漏率进行第一步检漏，剔除大漏样品；之后可延长原先的候检时间，对通过的样品进行二次检漏（细检），并确保不出现漏检。二步检测法不仅有效地拓展了最长候检时间，而且在第一步中剔除了泄漏较大的样品，避免这些样品在第二步检测中影响检漏仪的本底，使检测更为精确、快捷，是检漏手段的一个创新。

参考文献：

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[2]安琪、罗晓羽.氦质谱检漏试验方法分析[J].电子产品可靠性与环境试验，2014，32（4）：34-38.