多次壓氦法和預充氦壓氦法質(zhì)譜細檢漏方法研究

王庚林，李寧博，李 飛，劉永敏

(北京市科通電子繼電器總廠有限公司，北京 100041)

0 引 言

密封電子元器件在生產(chǎn)至使用的全過程中，要經(jīng)受多次密封性檢測。若超出密封后的最長候檢時間，則應采用一次或多次壓氦的預充氦壓氦法，進行密封性檢測。

國內(nèi)外的相關標準[1～3]規(guī)定，再次和多次采用壓氦法細檢漏時，不管相鄰兩次檢測之間間隔時間多長，均采用與單次壓氦相同的壓力與時長，多采用1小時(標準文獻[1]對不同內(nèi)腔容積采用0.5小時或1小時)的最長候檢時間，均采用相同的測量漏率判據(jù)。這對多次壓氦法，n次檢測的判據(jù)可能加嚴n倍；對預充氦壓氦法，檢測的判據(jù)可能加嚴幾倍到幾個數(shù)量級。而且還可能出現(xiàn)接近粗漏的大漏的漏檢和細漏的錯判。

在我國的相關行業(yè)標準[4]中，曾提出先細檢漏，壓氦后再細檢漏，以后一次漏率的增加值為測量漏率。這種二次檢測方法有一定的可行性，但會加大測試的偏差，而且喪失了多次壓氦，特別是預充氦所形成的高靈敏檢測特性。

薛大同等先生經(jīng)過深入研究和持續(xù)的改進[5～7]，提出了新的二次檢測方法。該方法主要通過多因素比較前一次細漏檢測和壓氦后二次細漏檢測的候檢時長和測量漏率，從而判斷樣品密封性是否合格。但前后進行兩次細漏檢測，加大了檢測的工作量，并且判定的過程相當復雜，不利于實施和操作。

本研究在以嚴密等級τHemin為基本判據(jù)[8]的基礎上，通過分析研究多次壓氦或預充氦后再壓氦對測量漏率的影響，確定再次壓氦的時長，采用一次壓氦細檢漏檢測的方法，準確地確定最長候檢時間，給出細漏檢測的測量漏率判據(jù)，使密封性是否合格的判定更便捷。

1 多次壓氦法的內(nèi)部氦氣分氣壓和測量漏率公式

密封件初次壓氦后經(jīng)一定時間間隔至再次壓氦前的內(nèi)部氦氣分壓為

(1)

式中，PE.1和t1.1為初次壓氦的壓力和時間；t2.1為初次壓氦至二次壓氦的時間；PHe0為空氣中氦氣分氣壓，PHe0=0.533 ppm；τHe為被檢件的氦氣交換時間常數(shù)。

若此時細檢漏，則測量漏率為

(2)

經(jīng)再次壓氦候檢，細檢漏時的內(nèi)部氦分壓為

(3)

式中，PE.2和t1.2為二次壓氦的壓力和時間；t2.2為二次壓氦后的候檢時間。

此時，二次壓氦后細檢漏的測量漏率為

(4)

忽略PHe0，考慮每次壓入的氦的積累作用，經(jīng)n次壓氦和候檢，氦質(zhì)譜細檢漏時的測量漏率R11.n為

(5)

式中，PE.i和t1.i為i次壓氦的壓力和時間；t2.in為第i次壓氦結(jié)束至n次壓氦結(jié)束的時間；t2.n為n次壓氦后的候檢時間。當t2.in大于5τHemin時，可以忽略第i次及之前壓氦的作用。

當τHe為嚴密等級τHemin時，式(2)的R1即為初次壓氦和候檢后細檢漏的測量漏率判據(jù)R1max；式(4)的R11.2即為二次壓氦和候檢后細檢漏的測量漏率判據(jù)R11.2max；式(5)中的R11.n即為n次壓氦和候檢后細檢漏的測量漏率判據(jù)R11.n.max。

2 多次壓氦法的壓氦條件和細漏檢測最長候檢時間

2.1 壓氦條件和最長候檢時間的問題

依據(jù)式(1)～式(4)做出二次壓氦法R11.2(R1)～τHe典型關系曲線，如圖1所示。

圖1 多次壓氦法典型R11 (R1)～τHe關系曲線族

其中二次壓氦后的最長候檢時間t2.2max采用參考文獻[8]中的t2max式(8a)進行計算。

由圖1曲線4可見，當再次壓氦時長大于一定值、最長候檢時間按單次壓氦取值時，在τHemin附近，R11.2～τHe曲線呈遞減趨勢，不會出現(xiàn)錯判；但對圖中AB間大于且接近τHe0的大漏，會出現(xiàn)漏檢。從曲線7可見，當再次壓氦時長不足時，不僅會出現(xiàn)CD間大漏的漏檢，在τHemin附近，R11.2～τHe曲線會出現(xiàn)波折，EF間的細漏會錯判為合格，F(xiàn)G間的細漏會錯判為不合格。錯判和漏檢，都是密封性檢測所不能允許的，應當尋求解決的辦法。

2.2 壓氦時長的確定

依據(jù)式(5)、經(jīng)相似圖1的擬合作圖證明，后面“2.4”還將驗證，取壓氦時長t1.i為

(6.1)

式中，PE.i-1和t1.i-1為前一次壓氦的壓力和時間。

當忽略PHe0時，可保證i次壓氦后，只要候檢時間t2i不大于由后面式(9.2)給出的t2i.max，測量漏率R11.i～τHe曲線在τHe≥τHe0、τHe<τHemin的范圍呈單峰狀，并在τHemin的一側(cè)，當τHe增加時，可實現(xiàn)R11.i的遞減，從而避免細漏的錯判。

工程實施中為了簡便和保險，除非t1.i-1很長，一般取

(6.2)

2.3 最長候檢時間的確定

經(jīng)n次壓氦后，τHe=τHe0被檢件的內(nèi)部氦氣分氣壓為

(7)

τHe=τHemin被檢件內(nèi)部氦氣分氣壓為

(8)

設被檢件的最長候檢時間為t2n.max，則τHe=τHe0時的測量漏率R11.n和τHe=τHemin時的測量漏率判據(jù)R11.n.max應相等，即

由此可得最長候檢時間t2n.max為

(9.1)

采用t2n.max，可以避免大于且接近τHe0的大漏的漏檢。

以二次壓氦法為例，依據(jù)式(7)和式(8)，比較PHe.12.0和PHe.12.m的大小，如圖2所示。其中曲線1的t1.2依據(jù)式(6.1)取值，曲線2的t1.2依據(jù)式(6.2)取值。

圖2 氦氣分壓PHe.12.0、PHe.12.m～τHe關系曲線

從圖2可見，PHe.12.0始終大于PHe.12.m，即式(9.1)中的ln(PHe.1n.0/PHe.1n.m)始終大于零。為了簡便和保險，可取

(9.2)

即t2n.max可按參考文獻[8]中預充氦法最長候檢時間t3max式(9a)取值。

2.4 驗證

采用作圖法進行公式驗證，單次壓氦法測量漏率R1依據(jù)參考文獻[8]公式(3)和本文式(1)、(2)，多次壓氦法測量漏率R11.2依據(jù)式(3)、(4)和(5)確定的典型R11.2(R1)～τHe關系曲線，如圖3所示。

圖3 多次壓氦法典型R11.2(R1)～τHe關系曲線

由圖3曲線可驗證：對二次或多次壓氦法氦質(zhì)譜細檢漏，只要各次壓氦時長按式(6.1)或(6.2)，壓氦后最長候檢時間t2n.max按式(7)、(8)和(9.1)或按(9.2)，測量漏率判據(jù)按式(1)～(4)或(5)，并與粗檢漏相結(jié)合，可進行τHemin的判定性檢測，不會發(fā)生接近粗漏的大漏的漏檢和細漏的錯判；同時，對正確確定細檢漏的測量漏率判據(jù)，忽略PHe0的式(5)適用。當粗檢漏通過，細檢漏R11.n

從圖3還可見，對首次壓氦后再進行i次壓氦，若壓氦壓力、時間相等且間隔時間t2.1i<2τHemin，則測量漏率判據(jù)與單次壓氦相比，會接近i倍。

3 預充氦壓氦法的內(nèi)部氦氣分氣壓和測量漏率公式

當元器件密封時預充氦，首次檢測采用氦質(zhì)譜細檢漏，之后壓氦再檢測或超出最長候檢時間時壓氦再檢測，密封后經(jīng)時間間隔t3.01至壓氦前的內(nèi)部氦氣分壓為

(10)

式中，k為預充氦比，即預充氣體中氦氣分壓與P0之比。

若此時細檢漏，則測量漏率為

(11)

經(jīng)壓氦候檢，細檢漏時的內(nèi)部氦分壓為

(12)

式中，PE.1和t1.1為壓氦壓力和時間；t2.1為壓氦后候檢時間。

此時，測量漏率為

(13)

忽略空氣中的氦氣分氣壓PHe0，則R21.1可簡化為

(14)

依此類推，可以得到預充氦再經(jīng)n次壓氦后，氦質(zhì)譜細檢漏的測量漏率R21.n為

(15)

式中：t2.n為n次壓氦后的候檢時間；t3.0n為預充氦密封結(jié)束至n次壓氦結(jié)束的間隔時間；t2.in為i次壓氦結(jié)束至n次壓氦結(jié)束的間隔時間。

當τHe等于嚴密等級τHemin時，式(11)～(15)中的R2、R21.1或R21.n即為測量漏率判據(jù)R2max、R21.1.max或R21.n.max。

4 預充氦壓氦法的壓氦條件和細漏檢測最長候檢時間

4.1 壓氦條件和最長候檢時間的問題

按式(10)～(13)繪制預充氦后壓氦的R21.1(R2)～τHe關系曲線，如圖4所示，其中預充氦后的最長候檢時間t3max依據(jù)參考文獻[8]式(9a)計算。 壓氦后的最長候檢時間t21.max仍依據(jù)參考文獻[8]t2max式(8a)進行計算。

圖4 預充氦壓氦法R21.1(R2)～τHe典型關系曲線族

由圖4中曲線4可見，當壓氦時長大于一定值、最長候檢時間按單次壓氦取值時，在τHemin附近R21.1～τHe曲線呈遞減，不會出現(xiàn)錯判；但對于圖中AB段大于且接近τHe0的大漏，會出現(xiàn)漏檢。從圖4中曲線7可見，當壓氦時長不足時，在τHemin附近，R21.1～τHe曲線會出現(xiàn)波折，以R21.1max為判據(jù)，CD間的細漏會錯判為合格，DE間的細漏會錯判為不合格。錯判和漏檢，都是密封性檢測所不能允許的，應當尋求解決的辦法。

4.2 壓氦時長的確定

依據(jù)參考文獻[8]，忽略PHe0，當t3=τHe時，τHe處的R2處于峰值為R2.M，

可得

從而有

(16.1)

式中，PE.i為i次壓氦壓力；t3.0i為預充氦密封結(jié)束至i次壓氦結(jié)束的間隔時間。

當忽略PHe0時，可保證i次壓氦后，只要候檢時間t2i不大于由后面式(19.2)給出的t2i.max，測量漏率R21.i～τHe曲線在τHe≥τHe0、τHe<τHemin的范圍呈單峰狀，并且在τHemin的一側(cè)，當τHe增加時，可實現(xiàn)R21.i的遞減，從而避免細漏的錯判。

工程實施中為了簡便和保險，也為確定最長候檢時間，應?。?/p>

t1.i≥1.2 h

(16.2)

4.3 最長候檢時間的確定

忽略PHe0，預充氦經(jīng)n次壓氦后，τHe=τHe0時被檢件的內(nèi)部氦氣壓力為

(17)

τHe=τHemin時被檢件的內(nèi)部氦氣壓力為

(18)

設預充氦后再經(jīng)歷n次壓氦，被檢件最長候檢時間為t2n.max，則τHe=τHe0時的測量漏率R21.n和τHe=τHemin時的測量漏率判據(jù)R21.n.max應相等，即

由此可得最長候檢時間t2n.max為

(19.1)

采用此t2n.max，則可以避免大于且接近τHe0的大漏τHe的漏檢。

依據(jù)式(17)、(18)，以式(16.1)和(16.2)為t1.i條件，做出預充氦一次壓氦后的PHe.21.0～τHe及PHe.21.m～τHe關系曲線，如圖5所示。其中曲線1按式(16.1)，曲線2按式(16.2)。

圖5 氦氣分壓PHe.21.0、PHe.21.m～τHe關系曲線

從圖5可見，t1.i采用聯(lián)立式(16.1)和(16.2)的條件，PHe.21.0始終大于PHe.21.m，式(19.1)中的ln(PHe.2n.0/PHe.2n.m)始終大于零。為了簡便和保險，同樣可取

(19.2)

此式(19.2)同式(9.2)，即t2n.max可按參考文獻[8]中預充氦法最長候檢時間t3max式(9a)取值。

4.4 驗 證

依據(jù)前面分析，預充氦法測量漏率R2依據(jù)參考文獻[8]式(6)和本文式(10)、(11)，預充氦壓氦法測量漏率R21.n依據(jù)本文式(12)、(13)和(14)確定的R21.1(R2)～τHe典型關系曲線，如圖6所示。

圖6 預充氦壓氦法R21.1(R2)～τHe典型關系曲線族

圖6已相對全面的驗證，對預充氦壓氦法氦質(zhì)譜細檢漏，預充氦密封后經(jīng)不同的間隔時間t3.0i再壓氦，壓氦時長t1.i按聯(lián)立式(16.1)(16.2)，壓氦后最長候檢時間t2n.max按式(17)、(18)和(19.1)或按式(19.2)，測量漏率判據(jù)按式(10)～(13)或(14)(15)，并與粗檢漏相結(jié)合，可進行τHemin的判定性檢測，不會發(fā)生錯判和漏檢；同時對正確確定細檢漏的測量漏率判據(jù)，忽略PHe0的式(14)、(15)適用。當粗檢漏通過，細檢漏R21.n

由圖6還可見，預充氦后再壓氦，當間隔時間t3.0i小于τHemin時，在τHemin處，預充氦經(jīng)衰減的氦分壓一般遠高于壓氦壓入的氦分壓，所以判據(jù)R21.nmax可能會比僅壓氦的判據(jù)R1max高出幾倍甚至幾個數(shù)量級。

5 結(jié) 語

通過對多次壓氦法及預充氦壓氦法的分析研究，采取理論推演和曲線擬合相結(jié)合的方法，給出了再次或多次壓氦的壓氦時長條件，既可保證τHe≥τHe0時測量漏率R～τHe曲線呈單峰值，并在τHemin一側(cè)單向遞減，又可保證壓氦后τHe0被檢件的內(nèi)部氦氣分氣壓不低于τHemin被檢件，使最長候檢時間式(9.2)(19.2)適用，既可避免細漏的錯判，又可避免大漏的漏檢，從而提出了正確確定壓氦時長、細漏檢測最長候檢時間和測量漏率判據(jù)的方法。只要能保存或獲取被檢件以往的檢漏歷史數(shù)據(jù)，如密封日期和時間、預充氦比k、各次壓氦檢漏的日期和時間、壓氦的壓力和時長，便可采用本項研究的成果，一次壓氦和細漏檢測，并加粗檢漏，更為便捷準確地進行密封電子元器件密封性是否合格的判定。目前，此研究成果已經(jīng)申請發(fā)明專利“一種多次壓氦和預充氦壓氦的氦質(zhì)譜細檢漏方法”，并已獲中國國家知識產(chǎn)權局受理，申請(專利)號是201310161154.4，敬請相關專家和科技工作者予以關注、推敲、指正和應用。

對本文氦氣分氣壓和測量漏率式的推演，工信部電子四所安琪先生曾提出過正確的改進建議，在此表示衷心的感謝。

[1] MIL-STD-750-1 Department of Defense Test Method Standard Test Methods for Semiconductor Devices Method 1071.9 Hermetic Seal[S].2010.

[2] MIL-STD-883J Second Draft Department of Defense Test Method Standard Microcircuits Method 1014.14 Seal[S].2012.

[3] GJB548B-2005 微電子器件試驗方法和程序[S].

[4] QJ3212-2005 氦質(zhì)譜背壓檢漏法[S].

[5] 薛大同.氦質(zhì)譜檢漏儀背壓檢漏標準剖析及非標準漏率計算程序[J].真空科學與技術學報.2005(12)：20-26.

[6] 薛大同,肖祥正,李慧娟,等.氦質(zhì)譜背壓檢漏方法研究[J].真空科學與技術學報.2011(1)：105-109.

[7] 薛大同，肖祥正，王庚林.密封器件壓氦和預充氦細檢漏判定漏率合格的條件[J].真空科學與技術學報.2013(8):735-743.

[8] 王庚林,李飛,王彩義,等.氦質(zhì)譜細檢漏的基本判據(jù)和最長候檢時間[J].中國電子科學研究院學報.2013，8(2)：213-219.