石英晶体元件内部水汽含量的控制

吕培青，史文香（陕西华星电子集团有限公司 陕西 咸阳 712099）

石英晶体元件是一种被广泛使用的电子元件，早期应用在军事通讯领域，随着石英晶体元件加工技术的发展以及产能的增加，逐步应用到民用产品，许多电子产品都离不开石英晶体元件，正是因为晶体具有很高的品质因数（高Q值），使许多消费类电子产品同样具有良好品质，没有晶体就没有琳琅满目的电子产品。

随着科学技术的快速发展，整机对石英晶体元器的性能指标要求越来越高，特别是航空、航海、野外探测、两极探险及动力车组的运行等，石英晶体元器的使用环境越来越严酷，对其自身的稳定性提出了更高的要求，为了适应科学的发展，满足整机对元器件需求的日益增长，我们通过对石英晶体元件加工工艺的改进，在加工过程中增加特殊控制，降低其内部水汽含量，达到MIL-883E、GJB548A-96、GJB33A-97标准水汽含量规定范围的要求，具体为：100℃±5 ℃，烘24小时以上，小于5 000 ppmV[1]。可以认为：水汽含量界线与贮存使用中密封元器件的失效和可靠性有着直接关系[6]。

1 内部水汽的来源

1)由于石英晶体元件密封气密性差，水汽在长期贮存、环境试验及在相对湿度

大的环境中使用等时渗入元器件内部而引起；

2)密封时周边气氛中的水汽被密封入内腔中引起的，因密封气氛没有有效控制或密封台与周围环境密封不良而被周围环境的湿气所扩散渗透；

3)内部吸附(束缚)的水汽在高温100 ℃±5 ℃，烘焙24小时过程中释放出来的[2]，如玻璃绝缘子、内腔壁、晶片粘结材料等。

2 内部水汽对石英晶体元件造成的危害

石英晶体元件封装形式基本上是采用密封封装，密封封装的产品内部水汽含量过高，由于采用密封封装这些水汽又不能随着时间而减少，这些存在于石英晶体元件内部的水汽逐渐导致电连接系统发生各种物理、化学反应，特别是在严酷的试验环境下，如高空、低压、低温等环境中水汽就会凝结成细小的水珠附着在石英晶体元件晶片的表面上，给石英晶体元件的电性能造成很大的影响，从而致使整机器件电性能参数不稳定，严重的甚至使整机不工作。为了保证密封的石英晶体元件在高空、低温环境下的可靠性，不仅需要检测产品封装的气密性，而且需对产品内部水汽含量进行有效的控制。

3 内部水汽含量的控制

3.1 石英晶体元件的组成

HC-49外形石英晶体元件的组成见图1。

图1 石英晶体元件结构图Fig.1 Structure diagram of Quartz crystal components

3.2 石英晶体元件的加工过程中产品水汽过程的分析

对于各种尺寸的封装可以进行类似的计算，针对一定的表面积相对于体积的比例r，我们可以计算出其相应的ppm值。对于水汽控制，空腔较大的器件也有一定的优势，因为在相同的漏率情况下，较大空腔的器件需要更多的时间使内部达到一定的水汽含量[3]。

要控制石英晶体元件内部水汽含量先从石英晶体元件成品加工艺开始分析，常用石英晶体元件成品加工工艺主要流程见图2。

从石英晶体元件制作工艺流程图中可以看出，在认为密封很好的情况下，在封焊工序之后工序的加工，不会影响到石英晶体谐振器的内部水汽的含量，而封焊前的各工序在加工过程中要经过很多次的高温烘烤，残留在晶片表面、银层中及银胶中的水汽已经剩余很少，经我们分析影响内部水汽含量的主要工序就是碰焊时石英晶体元件组成部分的水汽含量、碰焊过程中填充气体的水汽含量及操作环境空气中的水汽含量。所以要解决的难点就是如何去除焊时石英晶体元件组成部分的水汽含量、碰焊过程中石英晶体谐振器内部填充气体的水汽含量以及碰焊操作环境空气中的水汽含量。

3.3 吸附(束缚)性水汽的去除

1)尽可能地使用低含水量和不易吸湿的材料，在我们使用的材料中容易吸湿的材料只有用于防止接地的绝缘衬套，所以我们采用不易吸湿的材料来替换易吸湿的绝缘衬套材料；

2)不使用壳体材料致密度差的外壳，选用质地优良的一类外壳，并在使用前进行密封性试验及外观筛选，确保封焊后元件的密封性；

3)封装材料在贮存、封焊过程中水汽很容易被吸入，为了防止封装材料在贮存、封焊过程中水汽被吸入，我们在封装材料贮存、封焊中增加除湿机进行除湿的过程，改善贮存环境，避免材料在贮存过程中水汽被吸附；

4)粘结材料要充分固化，我们通常使用的粘结材料是环氧树脂银胶，为了防止在银胶不能充分的固化，延长烘烤时间，使银胶内部的水汽充分的释放；

5)加热烘烤，真空—充氮烘箱中将毛细孔隙中的水汽的排出。

3.4 密封时环境气氛中的水汽控制

1)在密封前充分的除湿来除掉材料及粘结材料中的水分[4]，除掉这一部分的水分的最好的办法是在300 ℃以上的高温下进行，但这个温度对石英晶体元件有破坏性的影响，所以这个办法不适用石英晶体元件的加工，对于石英晶体元件可以考虑采用除湿机来除去这一部分的水分，这样可以很好的排除水汽，而且除湿机内气氛中的水汽含量很低，对内部水汽含量要求不是特别高的产品，也可以在充氮气的炉中进行；

2)密封时采用边抽真空边通入高纯N2的方法来缩短密封时水汽的浸入。封焊设备带除湿气系统并用温湿度仪监测，密封台内保持正压，阻止外部高湿度的气体渗入。氮气是含水量低的管道(或瓶装)高纯N2，一般在5 ppmV以下，露点在-69 ℃以下。抽真空充N2的时候，注意防止机械泵的废气倒灌而造成内部气氛被污染（除非是干泵）。抽真空充N2次数与内腔N2含量的变化如图3。

图3 氮气含量变化Fig.3 Nitrogen content change

4 测试结果对比

通过各方面的控制基本上满足了内部水汽含量标准要求的≤5 000 ppmv ，常规工艺加工的产品加工的产品和采用特殊控制工艺加工的产品测试结果对比见表l。

试验条件：

方法：按GJB3128A-97方法1018程序l；

100 ℃±5 ℃预烘焙24 h；

环境温度：23 ℃；

环境湿度：24%RH；

表1 产品测试结果对比Tab.1 Product test results contrast

5 结 论

测量密封元件内部水汽含量是证明其可靠性和工艺合理性的重要步骤之一[5]，通过表l中采用两种工艺加工的产品内部水汽含量测试结果对比可以看出，采用特殊控制工艺生产的产品的内部水汽含量合格（该项检验的合格判据是小于5 000 ppm[6]），达到了控制石英晶体元件内部水汽含量的目的，使其内部水汽含量符合标准的要求，提高了产品的稳定性，提升了产品的性能，充分说明了我们采取的这种工艺是合理的。可广泛的应用于航空、航海、登山、两极探险及各类严酷的环境中使用。

[1] GJB 548A-96.微电子器件试验方法和程序[S].1996.

[2] GJB 33A-97.半导体分立器件总规范[S].1997.

[3] 杨晨,张素娟.密封封装内部水汽含量判据研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2002(5):18-22.YANG Chen,ZHANG Su-juan. Encapsulation criterion of water vapor content in the research[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2002(5):18-22.

[4] 王庚林,王莉研,董立军.电子元器件内部水汽含量与密封性关系的研究[J].电子元器件应用,2009(2):78-81.WANG Geng-lin,WANG Li-yan,DONG Li-jun.Electronic components and sealing steam content in the research[J].Electronic Component at Device Applications,2009(2):78-81.

[5] 吴文章.密封元器件的残余气氛分析[J].电子产品可靠性与环境试验,2004(2):2-4.WU W en-zhang.Residual Gas Analysis of hermetic device[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2004(2):2-4.

[6] 徐爱斌.密封电子元器件内部水汽含量问题探讨[J] .电子可靠性与环境试验,2002(6):29-31.XU Ai-bin. Problem of Internal Water vapor content in domestic sealed device[J].Electronic Product Reliability and Environmental Testing,2002(6):29-31.