封装气密性对元器件可靠性的影响及控制

杜胜杰，徐立立，李焕，赵可沦，张明，明志茂

（广州广电计量检测股份有限公司，广东 广州 510656）

0 引言

电子元器件的可靠性评价是指对电子元器件产品、半成品以及模拟样片等，通过可靠性试验、加速寿命试验和快速评价技术等方法，并运用数理统计工具和有关模拟仿真软件来评定其寿命、失效率或可靠性质量等级。同时，利用可靠性筛选技术来评价产品是否合格，剔除早期失效的不合格品。随着电子元器件可靠性的要求不断提高，电子元器件向超微型化、高集成化、多功能化方向迅猛发展，对器件的可靠性评价技术日益为人们所关注。元器件的封装气密性成为人们逐渐关注的重点。

微电子器件从密封方面分为气密封装和非密封装，高等级集成电路和半导体分立器件通常采用气密封装，多采用金属、陶瓷、玻璃封装，内部为空腔结构，充有高纯氮气或其它惰性气体。工业级和商业级器件通常采用塑封工艺，没有空腔，芯片是被聚合材料整个包裹住，属于非气密封装。有研究表明，气密封装元器件可靠性要比非气密封装高出很多[1]。

考核产品气密性的主要方式是通过检漏和检测器件内部水汽含量。元器件检漏，通常在筛选阶段，通过粗检漏和细检漏可以剔除不合格样件。作为破坏性物理分析技术的必检项目，气密性元器件的内部气体分析是确定产品制造工艺的稳健性和产可靠性的关键环节。

1 内部水汽含量对元器件可靠性的影响

随着对元器件的可靠性水平要求不断提高，人们对影响器件可靠性的因素做了大量的研究。研究表明，封装内部水汽，对密封电子元器件的性能、寿命和可靠性均有危害性影响。

通常气密封装元器件可靠性要比非气密封装高一个数量级以上，气密封装元器件一般按军标、宇航标准严格控制设计、生产、测试、检验等多个环节，失效率低，多用于高可靠应用领域。

非密封器件，多用于环境条件较好，可靠性要求不太高的民用电子产品上。气密封装器件散热性好，环境适应性更强，军品和宇航级元器件额定工作环境温度能达到-55～125℃。而塑封非气密封装器件大部分商业级额定工作环境温度为0～70℃，工业级额定工作环境温度为-40～85℃，散热性较差。

国内对元器件内部气体分析，按照GJB 548B-2005的测试要求，主要规定100℃烘烤24h以上，容积为0.01cm3至0.85cm3的封装内部水汽含量要求不高于5000ppm，且对水汽敏感器件或宇航级器件加严到2000ppm以下，但对其他气体含量并无明确的定量规定[2]。这说明，内部气体分析中，水汽含量的控制尤为重要。

研究表明，封装器件内的水汽含量以相对湿度%RH表示，则器件在加速寿命试验时的中位寿命可表示为：

其中：C1、C2为常数，Eα为激活能，N、n为模型常数，n＞1，k为波耳兹曼常数，T为器件试验时所处的绝对温度。

中位寿命τ50是指可靠度为50%时的可靠寿命，即有一半产品产生故障。上述公式表明，合格的器件寿命与其内部水汽含量（%RH）成负指数或负幂指数关系，即随着内部水汽含量的增加，器件寿命迅速降低，对于长寿命高可靠性产品极为不利[3-5]。

徐爱斌在研究中，对多组国产元器件进行测试，并进行低温加电工作寿命试验，结果显示大多数国产半导体器件露点温度大于0℃，同时低温试验中中位寿命较长，电参数稳定性较好的两种器件，其露点温度同样为最低[6]。顾振球等通过对30只国产军用器件进行4000小时寿命研究，指出器件失效机理为：因水汽引起芯片电性能劣化[7]。封装内部水汽对器件的影响在500小时前极为敏感，露点温度越高，器件性能劣化越明显，腐蚀现象也越多。这表示封装内部水汽含量偏高，是影响器件可靠性的重要原因之一。

从广义上来讲，与封装内水汽相关的器件失效模有很多[8-9]。大致为：①腐蚀失效：键合点的腐蚀物的产生，导致键合截面的接触电阻增大，键合强度严重下降，最终导致键合点脱键，形成开路，元器件功能失效。②电迁移、金属迁移：树枝状结晶的生长、离子沾污、金属化合物形成等现象，易造成电路的短路或烧毁。③机械损伤：充水裂纹的表面张力会引起裂纹迅速扩展，同时是陶瓷外壳和钝化层裂纹的加速器，易造成氧化层分层和开裂，从而造成元器件失效。④界面分层：玻璃胶粘接分层、有机芯片粘接分层、塑料中的热忱开裂、塑料封装和混合电路的爆米花效应等易导致电路失效，影响器件功能参数。

元器件的这些失效模式均会影响器件参数稳定及降低贮存及使用寿命，降低元器件的可靠性。封装内部水汽含量越高，当环境温度下降到露点时，吸附在芯片表面的水汽会形成漏电通道，导致元器件漏电流增大，器件参数超差，甚至成为引起器件内部污染物电化学反应的电解质，降低元器件的可靠性[3]。

2 封装内部水汽来源及控制方法

国产军用气密性封装元器件，按照GJB 548B-2005或GJB128A-1997的规定，100℃烘烤24h以上，器件内部水汽含量要求不高于5000ppm。实际生产、使用过程中器件内部水汽含量控制在1000ppm以内，才能够更大限度的保证器件可靠性运行。那么对水汽含量的控制，就成为各企业关注的重点。

2.1 封装内部水汽来源

一般来讲，对半导体分立器件及混合集成电路气密性封装，内部水汽含量超标与原因通常有以下几点：①管壳自身缺陷，使用不合格管壳，造成水汽检测不合格。②元器件封装环境内湿度水汽超标，引起封装后器件内部水汽含量超标。③封装材料如器件外壳、芯片粘接介质自带水汽，在封装前烘烤阶段没有完全除净，封装完毕后再高温存储或筛选过程中，吸附的水汽逐渐溢出到器件内腔，造成水汽超标。④器件封装不合格，密封缺陷导致水汽含量超标。

2.2 封装内部水汽控制措施

2.2.1 物料质量控制

对一些器件测试过程中发现，部分器件水汽含量不合格，是由器件外壳自身缺陷造成，比如玻璃绝缘子裂纹、陶瓷管壳裂纹等问题所致，所以投产前对物料的严格筛选把关尤为重要，尤其对高可靠性要求元器件，一旦缺陷外壳流入产线，投入使用，会影响整机质量，甚至造成重大损失。因此减少或避免因管壳自身缺陷造成的失效，就要求严格把控人员和物料因素[10]。

2.2.2 控制封装环境内气体氛围

近年来大部分生产厂家，虽有先进的封装技术，但水汽含量不达标者仍然不少，这就说明封装技术和封装工艺的重要性。晶体管、光电耦合器等电路，多采用储能焊、平行封焊等工艺进行封口。对于封焊机也多采用高纯氮气作为保护气体，但由于半成品的流转及封口箱密封性问题，箱内的干燥氮气易与周围环境的潮湿气体混合，而造成箱内气体氛围的湿度明显增大。因此改善封装内的水汽含量，首先需要必须控制产品流转流程并改善封口箱的密封性，以保证封装环境内水汽含量低于工艺及标准要求[11]。

2.2.3 封装材料吸附水汽控制措施

器件封口前，封装材料吸附的水汽，通常要经过高温烘烤，才能进行最后封口操作。其目的也是为了提高器件温度，加速腔内及封装材料与所吸附水汽的脱离。采用真空烘烤除气，利用分子热运动，升温加速分子运动，同时充入高纯气体捕获脱离器件的分子，通过抽真空方式降低水汽表面压力，从而随着真空排出器件腔外，是有效减少封装材料吸附水汽措施之一。谈侃侃通过对气密性封装内水汽研究发现，不管何种导电胶，烘烤后的效果均好于未烘烤，并且随之烘烤时间延长，水汽含量逐步降低。管壳清洗后进行150℃/8h的烘烤，随封装内水汽和气氛都有改善[12]。

烘烤的时间、烘烤温度则是影响烘烤降低器件内部水汽含量的关键因素。通常为加快分子运动，对于大部分产品，烘烤升温速度越快越好。但对于对热冲击敏感的陶瓷类产品，热冲击可能会造成陶瓷管壳龟裂而导致漏气。所以每种器件烘烤工艺流程和工艺条件的确定，因管壳选用材质、粘接材料的差别而不同。如何合理选用烘烤时间和温度，需要根据管壳指标，通过工艺对比试验来确定。

2.2.4 封装工艺控制措施

密封缺陷主要是盖板密封口机械强度差或密封面存在薄弱处，这些缺陷容易在机械应力、腐蚀等环境下形成漏气孔，外界环境中气体进入腔体，造成水汽含量超标。同时，如果漏孔被腐蚀物或杂质堵塞，影响筛选检漏结果，无法剔除漏气器件。在筛选、考核过程中需防止器件被沾污，器件表面有异物的，在做检漏前一定要做漏孔恢复，避免筛选漏检。密封缺陷多见于平行缝焊和储能焊，尤其是大腔体器件及TO封装器件。对于合金焊料封帽，在选择设计盖板厚度及合金焊环宽度时，应留有足够的冗余量，工艺中要进行严格控制，以免在缝焊中造成管可与盖板封接面的未完全浸润，或因腔内气体排挤风截面变窄，形成漏气孔，造成漏气，从而影响密封质量[1,10]。

3 结论

封装腔体内的水汽含量与产品的可靠性、寿命密切相关。要提高元器件的使用、贮存可靠性和环境适应性，就不能忽视封装内部水汽对器件的危害。对于可靠性要求比较高的气密性封装元器件，例如军用电子元器件，需要从生产起初，不断优化、把控封装工艺，严格控制器件内部水汽含量，降低器件失效概率，以保证军用电子元器件长期使用的质量与可靠性。