电子元器件内部水汽治理的实施与展望

/中国运载火箭技术研究院物流中心

元器件内部水汽含量超标会对元器件的性能、贮存寿命和可靠性带来严重影响，水汽含量超标造成的失效在元器件使用或贮存一段时间后才能发现，难以通过无损质量检验及在应用初期中发现，且一旦发现，一般为批次性质量问题，常常会给型号研制生产带来进度拖延、质量成本大幅增加等严重后果，对航天型号产品质量可靠性构成严重威胁。

为此，中国运载火箭技术研究院加强了元器件内部气氛与元器件可靠性相关技术研究，强化了元器件内部水汽含量检测控制，协助元器件生产单位提升元器件生产过程水汽含量控制水平，形成针对元器件内部有害气氛控制的改进措施，使交付型号使用的元器件质量得到有效控制，内部水汽含量超标导致批次性质量问题明显减少。通过多年来的不断控制、提升，元器件内部水汽导致质量问题的失效模式几乎得以杜绝。

一、影响及机理分析

水汽作为元器件内部的主要有害气氛之一，对元器件的危害主要体现在以下4个方面：

1.导致元器件内部键合点或内引线腐蚀

由于元器件键合点和内引线没有保护层保护，因此与芯片表面有钝化层保护的金属相比，在水和腐蚀介质的作用下更容易发生腐蚀，或直接发生酸腐蚀造成腐蚀部位电阻增大、电流容量和机械强度下降，腐蚀发展到一定程度最终导致开路失效。这种故障模式属于性质比较严重的潜在失效模式，不可预见，也没有有效的筛选方法剔除，一旦发生就会对产品产生严重影响。

如果元器件内部的芯片表面钝化层存在缺陷（如划伤、裂纹、针孔等），裸露的金属化铝条在水汽气氛或强氧化气体（如氧气等）作用下也容易形成铝腐蚀，导致铝条腐蚀开路，元器件功能失效。

2.导致元器件绝缘性能下降或参数超差

元器件内部含有大量水汽是引起元器件绝缘性能下降的原因之一，水汽本身就有微弱的导电能力，如果元器件内部还含有其他腐蚀性介质，在水汽的作用下更容易引起元器件的绝缘性能下降。

元器件内部水汽含量超标，吸附在元器件芯片表面的水汽会形成漏电通道，导致元器件漏电流增大，引起元器件参数超差；元器件内部的导电胶、绝缘胶等粘接材料在高温试验过程中会释放有害气体（如二氧化碳等），如果芯片的表面钝化层存在缺陷，水汽和有害气体（如二氧化碳等）形成的漏电通道对元器件参数的影响更大。

3.导致继电器转轴部位结冰

正常情况下继电器线圈通电后，在轭铁、铁心、衔铁及磁路间隙所组成的磁路就产生磁通，由此产生电磁吸力，吸引衔铁向轭铁的工作面靠近。当线圈中的电压达到一定值（吸合值），产生的吸力足以克服机械反力时，衔铁被吸引到与轭铁工作面紧贴的位置。与此同时，通过衔铁上的推动杆推动四组中簧片与常开簧片接触，从而使被控电路接通。线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁在复原簧片力和接触簧片反力作用下返回初始位置，触点也跟着恢复到原来状态。由于水汽含量超标，水汽在低温状态下在继电器转轴表面容易结冰，影响衔铁正常动作，导致触点不释放而功能失效。

4.导致继电器触点粘结不释放

中小功率继电器内部水汽含量过低（尤其是低于200ppm）时，在触点表面就不宜形成表面膜电阻，特别是当超行程较大时，金层原子间间距仅几埃，更易相互嵌入，形成较大的范德华力，在簧片自身弹性变形产生的回复力小于该范德华力时，触点形成粘接或不释放的现象，从而导致元器件失效。

二、原因分析

密封元器件内部水汽含量控制与多种因素有关，如管壳质量差、清洗不充分、封装材料质量、贴装不当、封焊设备质量差或控制不当、烘焙温度和时间、未提出检测控制要求等。

1.管壳或封装材料质量

若金属或陶瓷管壳质量较差、密封性能差，如封口、玻璃绝缘子或盖板漏气，致使周围环境中的水汽渗入壳体内，或管壳清洗不充分，均会影响水汽含量的控制。

贴装用胶是释放水汽的材料，胶在固化过程中，水汽不能充分排出，经过长时间高、低温历练，再次释放水汽，造成内部水汽含量超标。据统计，共晶贴片的电路内部水汽含量比聚合物胶贴装小很多。

2.贴装或封焊设备控制不当

电路封装产品贴装不当产生空洞，经过高、低温历练后，加剧了空洞破裂放出内部气氛，经过长期置放，其内部水汽也将释放到腔体，从而造成内部水汽含量超标。

封装设备比较陈旧或管理不严，使得封焊设备操作箱没有完全密闭，密封性差，外界气体能够进入封装设备内部，而且操作箱体积较大、湿度难以控制，易导致内部水汽含量超标。

3.烘焙温度和时间

元器件的管芯和管壳在封装前的烘焙温度和时间也会对内部水汽含量控制产生影响，如果元器件封装前烘焙不充分（烘烤时间较短或温度较低），封装材料吸附的水汽和其他易挥发物就留在元器件腔体内，这些残留的水汽和易挥发物在高温试验（高温贮存、温度循环）过程中就会释放出来，留在元器件腔体内，导致元器件内部水汽含量超标；反之，如果元器件封装前烘焙充分，水汽含量就会控制的很低。

4.未提出检测控制要求

由于用户和生产单位未认识到内部水汽含量超标对元器件造成的影响，故对内部水汽含量未提出检测控制要求，使内部水汽含量超标的元器件交付使用，造成质量问题频频发生。

三、对水汽含量控制的改进过程

元器件因内部水汽含量超标，导致腐蚀失效等质量问题严重影响航天型号产品的质量与可靠性，带来进度拖延、质量成本增加等恶劣后果。为了杜绝水汽含量超标而导致失效的发生，确保元器件的质量与可靠性，研究院在对水汽产生原因深入分析的基础上采取了多种有效措施。

1.执行国军标要求

研究院于2000年底开始提出内部水汽含量的指标控制要求，明确航天型号用元器件内部气体成分控制，要求半导体分立器件质量一致性检验的周期性检验要按GJB128A增加内部水汽含量分析；集成电路质量一致性检验的周期性检验按GJB548A增加内部水汽含量分析，内部水汽含量应控制在≤0.5%（5000PPM以下），并确定抽样方案，提出了元器件加严质量控制要求。

2.加强生产过程控制、提升质量控制水平

元器件的缺陷是在生产过程产生的，结合国内元器件生产单位薄弱的基础设施和质量控制水平，协助生产单位技术改造和科研攻关，从加强封装材料的控制和选择、加严封装设备的控制、加强封装工艺过程的水汽含量控制等方面提升能力和水平。

3.综合考虑成本和效率，提出组合方案

在确保质量的前提下，综合考虑成本，提出了适合研究院特点和元器件质量现状的内部气体含量检测组合原则实施方案，即在满足以下条件的情况下，可以用一个批次一个品种的元器件内部气体含量检测结果代替多个批次多个品种元器件的内部气体含量检测结果。

·相同的封装结构、工艺和材料（含管壳型号及批次）。

·相同的封装设备和环境（至少应在同一场地、温湿度在同一控制范围）。

·当型号批次以周为最小单位时，应为气氛含量检测结果报告所检批次的当周到此后3周（共4周）；当以月为最小单位时，与内部气体含量检测结果报告的相同批次。

4.对重点产品提出更高水汽控制要求

为进一步提高元器件可靠性，避免因水汽含量超标导致失效，满足工程长期贮存需求，某重点型号用元器件提出了加严的内部气氛控制要求，对密封腔体的国产元器件，如半导体分立器件、单片集成电路、混合集成电路、继电器等必须进行内部气氛检测，控制水汽不大于3000ppm、氢气和氧气不大于4000ppm、二氧化碳不大于5000ppm，以满足长期贮存可靠性要求。

四、今后工作展望

通过对元器件内部水汽含量超标原因分析，根据水汽含量超标原因协调元器件生产单位加强生产过程控制，将元器件内部气体含量检测纳入元器件考核的重要指标并加以控制，以确保航天型号用元器件的质量可靠性。通过上述措施的实施，元器件内部水汽含量超标的现象得到了有效控制，水汽含量控制已取得显著成效，元器件因内部气体含量超标而引起失效的质量问题已基本杜绝。

后续，要进一步深入研究内部水汽含量与元器件功能、贮存的关系，进而研究元器件内部水汽含量控制工作，协调供方在生产过程探索适宜的控制参数，如焙烘参数（烘焙温度、时间）等，将水汽含量控制在合适的范围，以期在保证元器件可靠性的同时降低元器件成本。

除了水汽含量超标引起元器件失效外，氧气、氢气、二氧化碳的存在亦会对元器件的可靠性造成影响。氧气的存在，一方面和水汽共同作用，加速电化学反应，导致内引线键合界面发生腐蚀，键合强度下降，形成开路功能失效；另一方面，如果元器件内部芯片和其他元件的粘接使用软焊料（如铅锡焊料等），在元器件内部氧含量较多的情况下，软焊料容易被氧化，形成黑色氧化物，导致剪切强度下降，甚至掉片，影响元器件的质量可靠性和贮存寿命。氢气的存在，一方面与氧气相互作用形成水汽，对元器件可靠性造成影响；另一方面，同GaAs器件的金属化系统相互作用，发生置换反应，引起GaAs器件功能退化。二氧化碳的存在，与元器件内部水汽相互作用形成弱酸碳酸，对器件造成腐蚀，同时亦加速水汽对元器件失效破坏，影响元器件的质量可靠性和寿命。因此，部分航天用密封元器件对元器件内部氧含量、氢含量、二氧化碳含量也进行规定，但对上述气氛的影响机理认识还不成熟，有待在后续工作中进一步深入研究探讨。▲