气密封元器件内部气氛分析方法发展研究

赵昊，彭泽亚，陈选龙，赖灿雄，周斌

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

气密封元器件内部空腔中的气体是影响元器件长期使用可靠性的重要因素。随着对内部气氛引起气密封元器件失效机理研究的加深，以及内部气氛分析设备的广泛应用，内部气氛分析方法在最近十余年的时间内进步非常大。2016年实施的美军标MIL-STD-883K—2016对其中的内部气氛分析方法进行了重新编写。

1 分析对象的扩展及其机理

传统认为，水汽是气密封元器件内部气氛中最关键的有害气体，原因有：1）水汽的来源比较广泛，密封腔体水汽来源主要分为腔体密封不良导致外部渗入，密封管壳、腔体内部结构等释放，腔体内部氢氧化学反应生成等3个方面[1]；2）水汽是产生气密封元器件故障与失效的主要因素，其冷凝后形成薄水膜，溶解腔体内部沾污或者释放的污染物生成电解质，引起各种化学与电化学反应，同时具有电介质性能的水膜会引起元器件参数波动与漂移[2]。典型的水汽导致元器件失效案例如图1-2所示。

图1 水汽导致键合丝腐蚀并断裂

图2 水汽导致化学反应并生成污染物

但是，随着大量的气密封元器件在航空航天等领域中的应用，氢气、氧气和有机气体等其他内部气氛成分引起的故障与失效时有发生。例如：氢气会与钛、铂、钯等金属生成氢化物，使材料的塑性和韧性下降，导致力学失效；而如果器件的栅极生成氢化物，由于氢致压电效应，阈值电压就会发生漂移[3]。低温条件下，甲醇溶解氯离子后形成电解质，使金电极发生电化学迁移生成枝晶，从而导致失效[4]。

随着对气密封元器件内部腔体中非水汽其他气氛导致失效的现象发生及其机理的研究，内部气氛其他气体的检测与分析也非常重要。因此，MILSTD-883K—2016方法1018.8已经由水汽分析修改为内部气氛分析，明确地提出除水汽外，还应当检测氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氢气和碳氟化合物等。

2 分析方法的简化及其机理

GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》中的“方法1018.1内部水汽含量”介绍了3种水汽含量的检测方法。其中，方法1是通过设置真空环境对内部空腔中的水汽进行取样，并利用质谱分析得出其含量；方法2是通过干燥载体气体对内部空腔中的水汽进行取样，并通过湿度传感器得出其含量；方法3是通过在内部腔体中集成湿度传感器，得出其含量。

按照水汽分析的原理，方法2和方法3均利用湿度传感器分析水汽含量，因此传感器的选择成为该两类方法的关键。按照湿度信号转换方式分类，湿度传感器可以分为电信号式、声信号式和光信号式，其中，以电信号式的应用最为广泛。电信号式湿度传感器根据湿敏元件的不同包括了电解质类[5]、聚合物类[6]、陶瓷类[7]和纳米材料类[8]等。彭韶华[9]和黄慧锋[10]研究了CMOS工艺兼容的单片集成湿度传感器（如图3所示），设计了平面铝叉指结构、采用PI-5型聚酰亚胺感湿介质材料，采用了SOP封装结构，解决了集成智能湿度传感器的微型化问题；同时兼容集成电路制造工艺，使得方法3具备了可行性。

图3 温湿度传感器平面结构图[9]

根据本文第1章的分析，氧气、氢气等其他内部气氛诱发元器件故障与失效的现象时有发生，同样需要进行成分与含量分析，而方法2和方法3只能分析水蒸气含量。同时，方法3对于集成电路制造成本、器件体积和设计复杂程度等都有相当大的影响，目前行业常见的气密封集成电路尚无集成湿度传感功能。综上所述，MIL-STD-883K—2016方法1018.8中已经删除了方法2和方法3，仅保留实用性最强、也是目前最普遍使用的方法1。

3 结束语

随着对氢气、氧气和有机气体等内部气氛诱发气密封元器件失效的机理研究发现，内部气氛分析对象应当由水汽扩展到全成分分析。通过湿度传感器检测水汽含量的方法，由于检测对象有限，在内部气氛分析中已经由质谱分析法所替代。MILSTD-883K—2016对其中的内部气氛分析方法在上述两个方面着重地进行了修改，但是我国现行的GJB 548B—2005已经落后于当前技术的进步，相关研究人员应及时地对GJB 548B—2005中的相关内容进行修订，以适应技术进步的需要。