密封器件内部水汽和氢气的分析及控制方法

韩星，王永琴，岑政，陈瑶，粟嘉伟，罗俊

（中国电子科技集团公司第二十四研究所, 重庆 400060）

引言

电子设备广泛应用于航海、航空、航天等特殊领域，面临高湿、酷暑、极寒、强冲击和辐射等极端恶劣环境，这对电子设备的可靠性提出了严峻的挑战。集成电路是电子设备的重要组成部分，为了应对严酷的外部环境，必须对其进行密封封装。密封封装可有效防止外来物、潮气、大气粒子、腐蚀气体对器件的破坏与侵蚀，达到限制密封腔体内部水汽含量和控制自由粒子种类和浓度的目的，从而延长器件的服役寿命。另外，还可以在密封腔体内充入惰性气体，以降低密封腔体内部的杂质气体，从而提高器件的可靠性[1]。

在实际生产中，密封器件的初始内部气氛决定了器件是否合格。而这时的内部气氛与集成电路的微组装工艺密切相关，其中清洗、贴片和封帽工序对内部氛围影响较大。清洗工序常采用湿法清洗方式，使用无水乙醇和去离子水等清洗溶液结合超声波空化作用对工件表面进行清洗，这可能导致在电路内部残留有机溶剂和水汽。小功率芯片装接的主流工艺是导电胶粘贴，但是导电胶在高温环境下，会发生固化反应，释放气体。封帽工艺中使用环氧粘贴法将盖板和封装腔体粘接在一起，在高温环境下烘烤一定时间进行固化，在此期间环氧粘接材料会释放多种气体（水汽、二氧化碳、有机气体等），这将直接影响封装内部氛围。因此，控制微组装工艺决定了密封器件内部气氛的初始含量与种类。

据研究发现[2]，密封电子元器件的内部气氛通常包括水汽、氢气、氧气、二氧化碳、氨气和有机气体等，其中，水汽和氢气对密封器件的性能和寿命具有重要影响。在GJB548 的方法1018 中，明确给出了密封腔体器件内部水汽含量的失效判据，水汽含量大于5 000 ppm的器件应判定为不合格[3]。虽然国家军用标准没有明确规定密封器件的氢气含量，但是已有研究表明氢气会导致钛、铂和钯等金属产生“氢脆”现象，即形成脆性氢化物相，导致金属材料强度降低[4]。因此，内部水汽和氢气含量应作为密封器件考核的关键参数。

本文从水汽和氢气的来源，水汽和氢气对电子器件的影响，以及减少初始密封的水汽和氢气含量方面进行了综述，并对密封器件的内部氛围控制提供了合理化建议，以为相关的研究者对集成电路的内部氛围研究提高参考。

1 水汽和氢气的来源及影响

1.1 水汽和氢气的来源

结合实际生产过程与文献报道[5-7]，可发现内部气氛主要由四方面控制，如图1 所示。因此，水汽和氢气的来源也主要从这四方面进行考虑。

图1 元器件内部气氛的来源

为了控制元器件初始内部气氛的种类与含量，封帽仓通常采用纯度大于99.9 %的氮气或者90 %氮气加10 %氦气作为密封环境，且仓内的水汽含量控制在1.0×10-5左右。表1 展示了各种元器件内部水汽含量。从表1 可知，对密封环境的严格控制，可实现水汽含量不超过5 000 ppm，满足国家军用标准。同时，表1 的数据也说明密封环境是元器件内部水汽的源头。

表1 元器件内部水汽含量统计表

器件封装的气密性也是影响内部气氛的重要因素，GJB 548 中明确规定密封器件的气密性使用漏率进行表征，漏率越大，气密性越差，就越容易与外界环境产生气体交换。所有的密封都不是绝对的隔离，在微观下都存在孔隙。孔隙的存在会产生内外气体交换，引起内部气氛发生变化。在对光电耦合器内部气氛长期贮存变化的研究中，周等[10]发现即使在初始漏率达标的情况下，随着密封器件贮存时间的延长，密封内部的水汽含量会逐渐升高，甚至不满足标准。尤其是在潮湿环境下，密封器件放置的时间越长，内部水汽越容易超标。

通常认为密封器件内部腔体的气体含量及种类是通过漏孔进行内外气体交换导致的，但实际测试结果表明内部气氛的种类和含量与外部气氛存在明显差异。现有的研究结果已经表明器件的封装材料会吸附并释放气体。吴等[11]以可伐合金材料制作密封样品，并在其中填充高纯氮气，探究了腔体内的水汽和氢气随烘烤时间的变化规律。通过图2 可发现，在125 ℃下烘焙，随着烘焙时间的延长，可伐合金内部的水汽和氢气含量都显著提高。这表明可伐合金封装材料是释放的水汽和氢气的重要来源。在其他研究中[6]也提及到，封装外壳电镀过程中会在金属镀层内部残留氢气，在高温环境下，氢气会从封装材料中释放。另外，氢气也可能来自于器件内部腔体的水汽与内部金属发生的化学或电化学反应的产物[2]。

图2 125 ℃烘焙下水汽和氢气浓度变化统计图

元器件内部导电胶和环氧粘接材料的使用，也是水汽来源的途径之一。若固化不完全，器件后续的老炼过程，有机材料还会继续发生固化交联反应，释放水汽[12]。在导电胶固化状态对器件内部水汽含量的影响研究中，侯等[5]明确提出导电胶固化不完全时，导电胶的饱和吸水率会明显升高。

1.2 水汽和氢气对器件的影响

内部水汽是造成密封器件失效的主要原因之一。水汽含量超标会引起器件绝缘性能下降。水汽吸附在器件表面，形成漏电通道，导致漏电流增大，引起参数超差。当环境温度降到内部水汽露点以下时，会发生凝露和结霜现象，引起接触点接触不良、漏电流增加和反向击穿电压下降[13]。水汽会腐蚀金属引线、键合点和金属化基板，导致引线断裂和脱落、加速键合点空洞形成、引发基板发生分层效应[13,14]。水汽会使银、铝等金属发生电化学腐蚀，在电场作用下，发生离子迁移，生成金属晶须，引起绝缘性能变化，甚至短路。应用海洋环境的器件，内部气氛还会存在Cl-，这将加速金属腐蚀过程。在一定温度下，氢气会引发砷化镓芯片产生“氢中毒”现象，即氢气在经Pt 栅极催化后，以原子态的氢扩散进入管芯沟道，引起沟道电性能下降，表现为芯片增益下降、工作电流下降、噪声系数上升[4,11]。在辐射环境下，氢气的存在还会加剧位移辐射损伤效应，引起器件性能退化。

2 问题及控制方法

密封器件的漏率和内部水汽含量满足GJB 548规定，可保证密封器件内部长期处于低水汽含量状态。然而，初期符合军用标准判据的合格器件，在长期贮存和使用过程中，内部水汽含量普遍超标，尤其是在潮湿环境下，水汽含量超标更快。这表明器件的气密性决定了密封腔体后续的水汽含量，因此测出器件的实际气密性，可剔除气密性不达标的产品，以防流入用户手中。于是，王等人[13]对GJB 548 规定的密封器件漏率公式进行了推演，并提出了改进意见。加压法氦质谱检漏的漏率计算公式是基于内外气氛交换中的分子流模型理论，公式中引入的空气标准等效漏率概念与分子流模型理论不一致。于是，王等人[15]提出使用真实的氦气标准漏率代替虚拟的等效标准漏率。检漏仪的本底和被测样品的吸附漏率均可增大测试漏率，需依据经验对测量漏率进行修正，使器件的气密性更接近真实值。在水汽来源中，元器件中使用的聚合物环氧材料不容忽视。使用环氧粘接材料进行密封的器件，在初始阶段时，可通过气密性测试。由于环境的变化和时间的延长，水汽依然可以渗透进入内部。通常，内部气氛是否合格只关注水汽含量是否超标，其实有机清洗过程及环氧材料固化过程除了产生水汽，也会导致二氧化碳、有机气体（醇类、酮类、碳氢化合物）等富集。在电镀过程中，残留在封装材料内的氢气是内部氢气的主要来源，且难易逸出。已有研究表明采用高温烘焙的方法对氢气的挥发速度影响不大[6]。

为从源头控制产品质量、提高产品可靠性，中国航天科技集团公司七七一研究所提出了过程控制体系（Process Control System，PCS）[16]。PCS 中明确对六个方面进行严格控制与管理，包括物料管理、工艺管理、环境管理、设备管理、测试管理和人员管理[17]。因此，为确保器件质量与可靠性，基于此六个方面，提出多种措施控制密封器件内部水汽和氢气含量。在物料控制方面，生产中应减少使用会释放氢气的材料，比如镍镀层、金镀层等；使用高质量的环氧材料，减少环氧材料在固化过程的杂质释放；减少有缺陷的外壳流入产线，比如陶瓷管壳裂纹、玻璃绝缘子裂纹。在工艺控制方面，若使用环氧材料，应探究烘烤温度、烘烤时间、环氧材料放气含量之间的关系，确定密封前器件的烘烤工艺，使环氧材料充分固化，减少密封后的水汽、有机气体的释放[18]。氢气的主要来源是金属镀层管壳和盖板内的氢气残留，其挥发极慢。图3 展示了高温与真空相结合的预烘培方法使用前后的密封器件内部水汽和氢气含量变化，预烘培后的密封器件内部水汽和氢气含量均显著降低。这说明关等人[6]采用高温真空预烘焙法，有利于吸附的水汽和氢气从封装材料逸出，可有效解决封装材料内残留氢气难以挥发的难题。在封装环境控制方面，使用纯度为99.99 %的氮气，减少水汽、氧气、二氧化碳等气体的干扰[19]；在封装器件前，保证氮气排气时间充裕（大于4 h 才可保证封装环境的空气排干净），以确保封装环境内水汽含量低于工艺及标准要求。在设备方面，封装设备进行定期检查、保养、维护。在测试方面，测试应有流程，应安排专人负责操作，确保测试数据的可靠性。在人员方面，应持续提高各过程人员的质量意识，不出现违规操作，严格按照流程与标准执行。

图3 高温真空烘焙前后密封器件内部水汽和氢气含量的变化

3 结论

密封器件内部气氛的种类和含量严重影响器件的性能和可靠性，危及整机装备的服役寿命。为了提高器件的可靠性、环境适应性，就必须保证器件气密性符合国家军用标准，必须控制器件内部气氛含量及种类。尤其是，减小水汽对电路的危害。水汽含量实现初始控制较为容易，但难在贮存与使用期间对水汽的控制。除了水汽对器件存在危害，氧气、氢气、二氧化碳、有机气体等都对器件的可靠性存在威胁，比如氧气与铅锡焊料发生氧化反应，导致强度下降；氢气与氧气发生反应，导致水汽含量增高；二氧化碳与水汽反应形成弱酸，对器件造成腐蚀。因此，对内部氛围检测应包含氧气、氢气和二氧化碳，并对含量进行明确规定。对于宇航用、军用器件，更应该从原材料、工艺、环境、设备、测试、人员等方面进行严格管理，实现全过程控制，进而保证器件长期贮存和使用的质量可靠性。