光电耦合器内部气氛长期贮存变化的研究*

周 帅，郑大勇，欧 熠，陈海鑫

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州510610；2.中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆400065）

光电耦合器内部气氛长期贮存变化的研究*

周 帅1*，郑大勇1，欧 熠2，陈海鑫1

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州510610；2.中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆400065）

根据气密封装器件的内部气体流动原理，对光电耦合器内部气氛含量的初始状态进行了分析，对长期贮存的变化状态进行了预测，随后采用内部气氛分析仪验证预测结果，证明了气体流量原理能够有效预测光电耦合器封装内部的气氛含量，并且能够将封装工艺的薄弱环节暴露在检测初始阶段。通过分析测量漏率与真实漏率之间的关系，对提高预测光电耦合器内部气氛含量长期贮存变化的准确性提出了建议。

光电耦合器；长期贮存；气体流动原理；内部气氛变化

气密性封装光电耦合器（以下简称光电耦合器）的可靠性与封装内部残余气氛含量有着密切的关系，长期贮存环境中的温度及湿度对其内部气氛变化都会产生直接的影响，水汽的侵入将导致集电极暗电流ICEO［1-2］增大等性能参数退化。目前国内外普遍采用美国IVA-210s内部气氛分析仪对气密封器件封装内部残余气氛含量进行测试［3］，此测试属于破坏性的事后分析，在此基础上再采取工艺控制的补救措施，然而这种方式不仅不能有效控制光电耦合器内部气氛含量，对内部气氛含量变化状态也无从得知，更是给整机的可靠性带来潜在的危害，本文运用气密封装器件的内部气体流动原理将事后分析改为事前预测，把封装工艺的薄弱环节暴露在事前阶段，为评价封装内部气氛可靠性提供了依据。

1 气密封装光电耦合器内部气体流动分析

气体流量是指气体流动过程中，单位时间内通过任一截面的气体量。一般情况下，由于漏道和气氛流导相同，所以气氛流入与流出的物理过程相似，但如果气氛泄漏存在高分压与低分压压差，那么气氛流入和流出的物理过程将存在差别。当某种气氛从封装中泄漏出来时，该气氛进入的是一个恒定的气态环境，如当氦气从封装漏道泄漏到空气里，并不会改变空气氦气的浓度；但当某种气氛漏入到封装中时，该气体分压压力较低的一侧将会发生改变。因此气氛只有在封装外分压大于封装内分压的状态下，才会漏入到封装内部。当气氛进入封装时，该气氛在封装的分压会持续增加，直到封装内外的分压相同。然而每种气氛的分压和分子量均不相同，所以不同的气氛会以不同速率通过相同的漏率通道。气体流动的基本关系如式（1）［4］：

式中，Q为单位时间内气体流过的量，气体的量称为流量，用容积×压力来表示；P1为高压侧的压力；P2为低压侧的压力；F为漏气通道的气体流导，单位为体积/秒。

气体通过漏道的流导受分子流制约［4］如式（2）：

式中，P1为高压侧的分压；P2为低压侧的分压；Fm为漏道的分子流导；R为每秒的流量；T为绝对温度，单位为K；M为泄漏气体的摩尔质量。

不考虑具体气体及其温度，式（2）变成

从封装密封时刻（t0）开始到之后的某个时刻（t），进入封装气体的数量为漏气率在这段时间内的积分。进入气体数量用Qin表示，Qin的表达式如下：

上式也等于

式中，P0为泄漏气体等于1 atm时的分压；PR为泄漏气体不是1 atm时的分压。

将ΔPt代入式（4）：

使用真实漏率，

式中，P0=1，积分后可得：

式中，Qin为气体流量，即漏入气体的体积×压力。为了得到压力表示的气体数量，将上式除以封装的固定体积得到式（7）［5］：

式中，QinP为在时间t内进入到封装里的气体数量，单位为atm；ΔPi为初始分压力之差，单位为atm；L为真实漏率，单位（atm·cm3）/s；t为气体漏入封装里的时间，单位为s；V为封装的体积，单位为cm3。

对式（7）两边取对数，得到式（8）［5］和式（9）［5］。因此在已知微电子器件封装的真实漏率和初始分压、封装内部容积时，就能推算出给定时间内漏入给定封装的气体数量以及给定数量的气体漏入到封装内所需的时间。

2 气密封光电耦合器封装内部气氛来源分析

气体流量公式的应用必须结合内部气氛来源分析。由于在检测过程中，生产研制单位最为关注封装内部水汽含量的变化，因此以水汽为例进行封装内部气氛来源分析。一般而言，封装内部水汽含量主要有3个来源：（1）封装外部的水汽漏入到封装内部；（2）从封装内壁、内部材料或者元器件释放出的水汽；（3）封装内的氧气和氢气发生反应生成水。

2.1 水汽从外部环境中漏入密封封装

封装内部的水汽分压一般来源于封装内材料的释放或者产品密封时密封箱中的水汽，而封装外的水汽分压与环境的相对温度（R.H.）有直接的关系。图1和表1是基于《CRC化学和物理手册》［6］的数据。图1显示了当相对湿度为100%时空气中的水汽分压和温度的关系。表1显示了在一些特定的温度和相对湿度下空气中的水汽分压。

图1 100%相对湿度时空气中的水汽分压与温度的函数关系

表1 在特定温度和相对湿度下空气中的水汽分压 单位：atm

2.2 封装内释放的水汽

光电耦合器封装内部在真实环境中不可能完全不产生水汽，即使是完全密封的腔室内也会有一定的水汽，通常为≤100×10-6。释放的水汽主要来源于吸附在材料表面的水汽和分布在材料内部的水汽。

封装内部的材料会释放一定量的水汽，释放水汽的量主要取决于材料的种类、制备工艺和密封前的预处理情况。大部分的水汽释放过程发生在老炼试验和高温工作过程。在给定的温度下，可释放的水汽含量逐渐减少。随着水汽的释放，封装内的水汽压力在逐渐增加，从而降低了水汽释放的速度，因此释放出的水汽含量与时间成对数关系。当包含了初始水汽量和释放的水汽量时，168 h老炼试验后封装内的水汽含量随着时间变化的典型曲线［5］，如图2所示。

图2 不同尺寸封装水汽压力与时间的函数关系

因此当封装内部初始水汽存在，那么总的水汽含量：

式中，QH2O(total)为封装内总的水汽含量；QH2O(initial)为封装内的初始水汽含量；QH2O为漏入封装内的水汽含量。

结合式（7），得出：

2.3 封装内化学反应产生的水汽

封装内的水汽产生的化学反应式如下所示，理论上存在氢气和氧气直接发生反应的可能性。封装内部释放氢气，使氧化物还原，氢气和氧气发生反应生成水。

这个反应在常温和常压下非常慢，所以多年也不能形成可检测到的水汽量。然而，合适的催化剂将导致这个化学反应发生。

3 光电耦合器封装内部气氛变化预测

下面以被测光电耦合器封装密封性初始状态为基础，针对目前主流封装环境，用实例验证气体流量公式用于预测内部气氛含量变化的有效性，同时结合RGA（残余气氛分析）分析封装内部气氛来源。

3.1 预充10%氦气封装环境的光电耦合器内部气氛变化

对某研制单位生产线上随机抽取同批次3只光电耦合器进行内部气氛预测，每只器件的封装容积为0.5 cm3，在10%氦气和90%氮气的环境下封装。封装完后，马上测量到的漏率为1.0×10-10atm·cm3、1.2×10-10atm·cm3、1.0×10-10atm·cm3。预测放在温度25℃，相对湿度50%的环境中，进入到封装内部的水汽需要多长时间达到5 000×10-6。

计算预测如下：

根据测量漏率和真实漏率之间的关系可得

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由于不同气体分子的质量和大小各不相同，所以不同的气氛通过同一个封装漏道的漏率也不一样。由《不同气体的漏率转换表》［5］可知LH2O与LHe漏率的转换系数为0.471，所以

查表1可知，25℃、50%相对湿度水气压=0.015 6 atm，根据式（8）计算可知：

同理其余两只样品t依次为3 956 d、4 748 d。

3.2 预充99.9%氮气封装环境的光电耦合器内部气氛变化

采用与上述封装体积相同，封装环境（99.9%氮气环境下封装）不同的3只光电耦合器进行内部气氛含量预测。首先按GJB548方法1014细检漏试验条件5 atm，加压4 h。测得漏率为1.9×10-13atm·cm3、2.0×10-13atm·cm3、1.9×10-13atm·cm3。预测放在温度25℃，相对湿度50%的环境中，进入到封装内部的水汽需要多长时间达到5 000×10-6。

假设 LHe=1×10-9；计算可知 R=1.43×10-13；假设 LHe=1×10-8；计算可知 R=1.44×10-11；将R绘出相对于 LHe的点为一条直线，该直线显示R=1.9×10-13atm·cm3时，LHe≈1×10-9～2×10-9，利用线性插值法：1.1×10-9×5×(1-e-28800×1.1×10-9)≈1.9×10-13atm·cm3，由此可知 LH2O=0.471LHe= 0.471×1.1×10-9=5.18×10-10atm·cm3，通过式（8）可知t=4 061天，同理其余两只样品t依次为3 957 d、4 061 d。

3.3 光电耦合器内部气氛变化测试验证

对上述两种封装环境的被测样品，放在温度25℃，相对湿度50%的环境中365 d后，进行RGA测试，验证器件封装内部气氛变化。

表2 内部气氛贮存预测及RGA实际测试结果比对

从RGA测试结果可知，器件内部气氛在经过1 y的时间，由式（10）可知封装内部气氛总含量除了外界的漏入，还包括自身内部材料也释放了少量的水汽，所以实际气氛含量比预测内部气氛含量较高。

4 光电耦合器内部气氛含量长期贮存的变化分析

通过上述理论分析和实例验证，并结合工信部电子五所开展的（1996—2010）年光电耦合器自然暴露贮存14 y的退化试验数据［7］，间接的证明了运用封装内部气体流动原理结合氦质谱细检漏试验以及RGA测试，对定量预测研究光电耦合器内部气氛含量在使用环境中随时间变化情况的有效性（贮存寿命长达13 y左右），有利于进一步明确器件封装内部气氛的来源是封装内部释放还是封装外部漏入，为评价光电耦合器封装可靠性提供了数据支撑。

同时在多次试验中，还发现对于预测光电耦合器内部气氛含量贮存变化的关键是测量氦气漏率R值的准确性，因为测量漏率R值将直接影响到产品的真实漏率L值，这是对于预测器件内部气氛含量是否满足某些“长期贮存、一次使用”应用要求的关键条件。但大多数国产的氦质谱检漏受动态真空模式、检测罐及灵敏度等技术限制，实际最小可检漏率一般为1.0×10-10atm·cm3，这对研究器件封装内部气氛变化含量是远远不够的，容易造成误差，测试结果与器件实际贮存时间不相符。目前只有国外德国英福康公司生产的Pernicka-700H累积式四级质谱检漏仪满足测试小漏率微电子器件气密性的要求，达到4.0×10-14atm·cm3的最小可检漏率，所以建议使用该设备作为微电子器件长期贮存封装内部气氛变化的研究，从而提高微电子器件的封装可靠性。

5 结束语

气密封光电耦合器的封装可靠性，除了RGA数据作为评价依据外，还应结合测量漏率及使用环境，对器件封装内部气氛变化情况进行全面分析，明确器件内部气氛的来源，从而获得产品的准确信息，提前暴露封装可靠性的缺陷，从而采取针对性高效率的解决措施［8-9］，在封装早期就获得高可靠性的气密封光电耦合器，满足长期贮存的要求。

［1］何民才，黄启俊.关于间接耦合光电探测器的存疑点剖析［J］.传感技术学报，1998，11（1）：46-54.

［2］吴海峰，翟宪振，罗向东.GaN基APD日盲紫外探测器读出电路设计［J］.电子器件，2013，36（5）：656-661.

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［4］肖祥正，刘玉魁，谈治信，等.真空设计手册［M］.国防工业出版社出版，2004：98-103.

［5］Greenhouse H.Hermeticity of Electronic Packages［M］.Elsevier（Singapore）Pte Ltd.，2000：96-98，107.

［6］David R L.Handbook of Chemistry and Physics［M］.The Chemi⁃cal Rubber Company，2002：15-23.

［7］杨少华，李坤兰.光电耦合器的长期贮存退化特性分析［J］.电子产品可靠性与环境试验，2013（1）：27-30.

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［9］王林，赵宇军，黄先奎，等.集成电路内部水汽含量的控制［J］.微电子学，2003（2）：121-123.

周 帅（1984-），男，汉族，贵州都匀人，工业和信息化部电子第五研究所，硕士，工程师，现从事电子元器件检测与可靠性工作，zs5h@163.com。

Research on the Change of Internal Long-Term Storage Atmosphere for Photoelectric Coupler*

ZHOU Shuai1*，ZHENG Dayong1，OU Yi2，CHEN Haixin1
（1.China Electronic Product Relibility and Environmental Testing Research Institute，Guangzhou 510610，China；2.The forty-fourth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Chongqing 400065，China）

According to the internal gas flow principle of hermetic sealing device，the author first analyzed the ini⁃tial state of the internal atmosphere content of photoelectric coupler and predicated the change status of long-term storage.Then，the prediction results verified through the internal atmosphere analyzer，proved that the gas flow theo⁃ry could effectively predict the internal atmosphere content sealed in the photoelectric coupler and expose the weak links of encapsulation process in the initial stage of detection.Besides，analyzed the relationship between the mea⁃suring leakage rate and the actual leak rate，suggestions were proposed for prediction accuracy of internal atmo⁃sphere long-term storage change in the photoelectric coupler.

photoelectric coupler；long-term storage；gas flow principle；internal atmosphere change

TN307

A

1005-9490（2016）06-1292-05

4250

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.003

项目来源：广东省自然科学基金项目（2015A030310331，2015A030306002）

2015-12-28 修改日期：2016-01-31