内部水汽分析及控制

杜先兵

摘 要：本文从水汽含量检测对密封器件内部内部气氛种类及来源进行分析，分析了造成水汽含量过高的原因和机理，提出了有效控制水汽含量的措施及方法。

关键词：密封器件；内部水汽含量

引言

电子元器件产品的可靠性提高，是整机系统质量及可靠性保证的基础。密封器件内部水汽及残余气氛是影响密封器件质量与可靠性的重要因素之一，是目前国内普遍存在的问题。水汽等内部残余气氛的状况对电路的性能、寿命和可靠性影响很大，往往容易造成早期的失效和性能劣化。主要表现在以下几个方面：造成内部环境的污染，加速腐蚀作用、形成电路的短路或烧毁、电路参数漂移、低温性能恶化。

综上所述，必须密封器件的内部水汽的种类及来源进行分析，以便对密封器件内部的水汽采取措施进行控制，保证器件的质量及可靠性

1、内部水汽对电子器件的影响

密封器件内部水汽含量较高时对电子元器件两个方面的危害：

一是产品电性能不稳定，且表现出与温度关系明显。从机理上分析，如果密封器件内部水汽含量较高，在低温状态下，水汽会在芯片表面结霜，造成产品的漏电流增大，参数超差，甚至失效。在生产过程中，我们曾对一批水汽含量超标的产品进行试验，将产品放入-55℃低温烘箱30min后，取出利用晶体管观察产品击穿特性，发现击穿热性出现蠕变现象。

二是造成产品的可靠性差。在电子元器件中，芯片与外引线连接采用金丝或铝丝键合的方法形成互联，出现所谓的双金属接点。对于这种情况，为了保证双金属结合系统可靠连接，电子元器件内部的水汽含量必须很低方可实现。较高的水汽会对Al系统造成腐蚀，导致器件开路。当芯片或电路内存在污染物时，在较高的水汽含量下，污染物会在水汽的作用下形成电解液，发生电化学反应，使器件和电路的多层金属化受到腐蚀。

2、内部水汽分析

2.1、内部气氛种类及来源

为了掌握样品内部水汽及其他气氛的含量，以便分析样品的质量及可靠性，密封器件的内部气氛测试是必须的，从我厂送检的密封器件的水汽检测表中可以看出水汽及其他气氛主要有：

（1）水汽

任何密封电子元器件内部都含有水汽。水汽有3个只要来源：

外壳漏气部位渗入的水汽。样品本身气密性低或有泄漏，密封后空气进入。这种情况，伴随着氧气（Oxygen）和氩气（Argon），经过检漏后，会有氦气（Helium）和氟碳化合物（Fluorocarbons）。

内部排放的水汽。在物理参数如时间、温度、压力作用下发生的化学反应，产生水汽。芯座或管帽内壁表面吸附的水汽或芯座、管帽存在封入水汽的细微气泡，在时间、温度、压力作用下，使封装后的产品内部排放水汽。

封装操作时，封口箱体气氛中的水汽。这部分含量可能较少。

（2）氮气（Nitrogen）

氮气是必要的参数。通常采用纯氮气作为保护气体，氮气含量应在99%以上。

（3）氧气（Oxygen）

空气中的氧气含量大约在20%左右。但氧气是有一种易反应的气体，在高温条件下，可能使内部材料中碳氧化合物氧化和金属表面氧化，所以应控制氧含量，在半导体分立器件规范中规定了氧含量不允许超过1000PPM

（4）氩气（Argon）

在纯氮气封装的器件内部氩气含量应该小于500PPM以下，在干燥空气中，氩气的含量大约9340ppm。氩气与氧气比例关系可作为判别样品是否漏气的参考依据之一。

（5）二氧化碳（Carbon_Dioxide）

通常二氧化碳是封装内部材料释放或生成的，它可能使在温度应力作用下，样品内部材料中碳氧化合物氧化的产物，二氧化碳的含量从100ppm到几个百分点，高含量二氧化碳和水汽，会对暴露的金屬化产生腐蚀。

（6）氢气（Hydrogen）

通常氢气是低气压或封装后电镀层金属表面释放的气氛。氢气含量大于10%表示密封腔体内部压强较低。氢气在水汽环境中非常活跃，会产生更多的混合气氛。

（7）氦气

一般氦气用作检漏气体。有氦气存在并伴随氟碳化合物、高含量的水汽、氧气、氩气，表示样品存在漏气现象。有时也用氮气/氦气混合作为封装气体，氮气含量应在78%以上。宇航及产品要求封口时，封入10%的氦气

（8）其他残余气氛

残余气氛如甲醇、已醇、丙酮、甲苯等，通常是有机材料、残余溶剂、残余清洗剂等挥发出来的。封口前烘烤工艺的不同，挥发释放的气体也不同。环氧材料在高温下会产生氨气（Ammonia）。这些残余气氛在高温作用下逐渐分解，与水汽作用后形成高酸或高碱环境，对金属化部位产生腐蚀作用。

2.2、内部气氛分析示例

从上述内部气氛种类及来源的分析入手，对我厂的某批次产品水汽超差的原因进行分析。

根据表1中的水汽检测结果氧气和氩气均未超标，可排除因样品本身气密性低或有泄漏，密封后空气进入水汽的情况。对该封帽工艺操作进行复查，该批在生产宏产品按正常工艺进行操作和控制，同时送检样管未发生批次性水汽超差情况，因此可排除封帽操作时，封口箱体气氛中的水汽的情况。

从上述分析来看，造成144#水汽含量超差的原因是芯座或管帽内壁表面吸附的水汽或芯座、管帽存在微小的封入水汽的气泡，在产品经过高温贮存、温度循环、恒定加速度等温度、时间、压力的作用，芯座或管帽内壁表面吸附的水汽及微小气泡产生破裂将气泡内的水汽被释放，造成产品水汽含量超差。

3、内部水汽分析

3.1内部水汽含量偏高的原因

从上述内部水汽分析来看，造成密封器件内部水汽含量较高的原因主要有以下三方面因素：

一是封装材料壳体的密封性能差，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；

二是预烘焙不够充分或封帽时控制不当，使封帽后壳体内材料吸附的水汽释放出来，或封帽时已经引入了较多的水汽；

三是封帽时氮气的纯度不高导致水汽含量不合格。

3.2降低水汽含量的措施

针对造成水汽含量偏高的三个原因，在生产过程中，分别采取以下相应控制措施，对密封产品的内部水进行控制。

封装原材料的控制和选择：零部件封装材料质量直接影响到产品的密封性，从原材料的进厂检验到加工工艺过程控制至关重要，选用密封性能好的零部件，同时对零部件进行严格的质量一致性检验和检验验收工作，控制好零部件封装材料的质量。

封装工艺过程的水汽含量控制：首先，对等待封装的产品的芯座或管帽进行高温烘焙，去除芯座、管帽帽表面吸附的水汽。高温烘焙在能够稳定产品的电性能的同时，去掉产品中挥发性气体（包括水汽）的作用，表2为我厂现有成熟的封帽前烘焙工艺。

对封帽用惰性气体的控制：对于封帽时氮气的纯度不高的第三条原因，应采取改进设备的方法，以提高氮气的纯度。当氮气传输管道离封帽设备较远时还应进行就近二次纯化，封帽时用露点仪实施监测氮气的露点。

结束语

本文分析了密封器件内部内部气氛种类及来源，并对电子元器件封装水汽水汽含量过高对产品性能及可靠性的影响，分析了造成水汽含量过高的原因和机理，提出了有效控制水汽含量的措施及方法。

参考文献：

[1] GJB33A-97半导体分立器件总规范

[2] GJB548A-96微电子器件试验方法和程序

[3] GJB2438-95混合集成电路总规范

[4]王蕴辉、于宗光、孙再吉，《电子元器件可靠性设计 》，科学出版社，2007年