密封器件腔体内水汽和氢气含量的控制方法

关亚男，赵鹤然

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

1 引言

水汽和氢气含量是密封器件封装腔体内部气氛控制的关键指标。一方面，器件腔体内水汽和氢气来源多样化，并且在组装过程中会反复吸附；另一方面，随着大规模集成电路的发展，芯片引出端数量大量增加，封装腔体体积也随之增加，使内部的气氛变得更难控制。密封器件腔体内水汽和氢气含量的控制成为密封工艺控制的重点环节[1-2]。

芯片表面凝结的水汽使器件表面漏电增加，引起器件电性能衰退；芯片表面吸附的水汽在通电时，会导致金属铝膜以原电池的形式发生电化学反应，从而腐蚀铝膜。对于一些特殊的MEMS器件，水汽还会引起诸如表面张力等的变化，使MEMS参数漂移甚至失效[3-4]。

氢气的存在可能引发“氢脆”现象，导致金属材料性能的变化，造成质量隐患，特别是对砷化镓微波器件性能和参数稳定性的影响较大。此外，封装腔体内含有过量的氢气，易导致密封区的空洞率过高，影响密封效果，严重的会造成密封失效[5－6]。

目前，对密封腔体内的水汽和氢气的控制原理是基于高温烘焙，使封装腔体内的水汽和氢气在密封前可以有效地散出或逸出腔体，并在整个封装过程中严格控制再次吸附[7－8]。

综上考虑，在此研究一种控制气密性封装器件内部气氛的方法。根据水汽和氢气的来源，采用有针对性的多重手段进行逐一控制，通过有效地控制封装腔体内的气氛，来大幅度降低密封器件腔体内的水汽、氢气含量。

2 水汽、氢气来源分析

封装过程中涉及的材料包括芯片、管壳及盖板、芯片粘接材料、键合材料、密封保护气体等。封装腔体内的水汽来源有多种，包括：芯片制造过程中吸附在芯片上的，封装生产过程产生的（例如：划片工序的水清洗、粘接固化时中有机物挥发）、管壳盖板及键合材料本身吸附、环境里含有的水汽被封到封装腔体里等等，这些水汽在高温时会挥发掉大部分，但温度恢复后会再次吸附一部分，也就是说，这些水汽在密封前可以反复吸附在封装腔体内，因此在整个组装过程中都要进行水汽控制。此外，还应考虑封装腔体内的氢气和氧气发生化学反应生成的水，或是因为封装气密性不够而漏进腔体内的水汽，如果是气密性封装，后一种情况可以不予考虑。封装腔体内氢气的来源主要是管壳和盖板加工过程中的残留。气密性封装器件的水汽、氢气的存在情况如图1所示。

图1水汽、氢气存在情况

3 控制方法

3.1 原材料控制

水汽控制的方法比较简单，也是有气密性封装要求的器件比较通用的控制方法：高温烘焙即可控制；氢气的控制难度比较大，管壳和盖板内残留的氢气挥发极慢，采用控制水汽的高温烘焙方法对氢气挥发速度影响不大，残留在镀层里的氢气很难逸出，因此很难将其去除；盖板上因为有焊料环的存在，不能承受太高的温度，因此用一般方法处理盖板和管壳，比较容易控制水汽的含量，但对氢气的控制效果不明显，这也是密封过程中可以将水汽的含量控制在5000ppm以下，而氢气含量的控制却达不到稳定的效果，通常在20000ppm以下，有时还达不到这个标准的原因。

在此主要介绍对管壳及盖板的控制方法。首先对盖板进行预处理，这是控制过程中最重要的一个环节。将盖板和焊料环进行分离，要求保持焊料环的完整，并且不能对盖板造成损伤。然后将焊料环保存在适当环境中，管壳和盖板一起进行高温烘焙，烘焙过程要保持真空状态，以利于水汽和氢气从管壳和盖板中逸出。图2为管壳和盖板的烘焙过程示意图。在烘焙过程中，真空度控制在0.1mbar~1.5mbar之间为宜，图中恒温区E的温度要高于密封的温度。

图2烘焙过程示意图

3.2 密封过程的控制方法

用处理过的管壳组装成集成电路的半成品。密封前将半成品在真空-高纯氮状态下循环5～7次，同时温度控制在120±5℃，以控制封装腔体内的气氛。装配时，将待密封电路的半成品、拆卸的焊料环、盖板按照次序叠装在一起，采用夹具进行固紧和夹持。密封时，将待封装的电路在高纯氮的环境下预热5分钟，然后再加热，持续一段时间后迅速降温冷却，以达到气密性封装的要求。

4 试验验证

以DIP24管壳为例，应用上述控制方法。工艺过程为：真空烧结粘片→32μm铝硅丝键合→低温烧结密封。

实际密封了几组样品，并与用传统方法控制的同工艺过程密封样品进行检测对比。样品编号如表1所示。

表1样品编号

密封后直接进行内部气氛检测，测试数据见表2，示意图如图3。从测试数据可以看出，用新方法控制的水汽和氢气的含量都相对更低，特别是氢气的含量明显降了下来。试验证明新方法控制水汽和氢气的效果明显比传统的控制方法更有效，含量波动更小，可以满足更高质量等级的要求。

表2封装后样品内部气氛检测

图3封装后样品内部气氛

密封后的样品经过考核试验后，进行检测对比，对比结果见表3，示意图如图4。对比结果表明：考核试验没有明显对新方法和传统方法控制的水汽和氢气含量造成影响，也就是说这种新的控制方法未见有明显的控制隐患存在（如果有，水汽或氢气的含量会有明显的变化，如含量明显增加）。

表3经过考核试验后的样品内部气氛检测

图4试验后样品内部气氛

考核后样品放置半年，再进行检测比对，对比结果见表4，示意图见图5。对比结果表明：经过长时间放置，封装腔体内的水汽和氢气都没有明显的增加，说明密封后的腔体内没有大量的新的水汽和氢气生成,即新方法和传统的控制方法都能有效控制水汽和氢气的含量，而新方法控制的效果更好，更显著。

表4放置后的样品内部气氛检测

图5试验后静止样品内部气氛

5 结束语

传统的密封方法可以控制封装腔体内的水汽和氢气含量，使之达到普通的质量等级的要求。本次研究中新设计的方法，其控制原理与传统方法没有本质区别，但采用的是从源头（原材料）开始控制，特别是加强对一些特殊环节的控制，必不可少的过程控制也同时兼备，所以这一新的方法可以很好地控制封装腔体内的气氛，大幅度降低密封器件腔体内的水汽、氢气含量，满足IC器件封装的更高的质量等级要求。