氦質(zhì)譜檢漏的工藝方法與檢驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)

白金浩 萬(wàn)聰

摘 要：從電子元器件氣密性封裝的原理入手，介紹了常用的檢漏試驗(yàn)方法，闡述了美軍標(biāo)MIL-STD-883氦質(zhì)譜檢漏試驗(yàn)方法的最新發(fā)展，分析了積累氦質(zhì)譜試驗(yàn)方法的特點(diǎn)及要求，并探討了基于氦氣交換時(shí)間常數(shù)τHe的氦質(zhì)譜檢漏思路。

關(guān)鍵詞：氦質(zhì)譜；密封；標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)方法

1 常用的檢漏試驗(yàn)方法

鑒于密封對(duì)電子元器件的重要性，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了多種漏率檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用。在著名的美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)最新發(fā)布的MIL-STD-883J《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》的方法1014.14中，規(guī)定了多種測(cè)量密封器件漏率的試驗(yàn)方法，其中包括氦質(zhì)譜細(xì)檢漏、放射性同位素（Kr85）粗/細(xì)檢漏、碳氟化合物粗檢漏、光干涉法粗/細(xì)檢漏、染料浸透粗檢漏、增重粗檢漏和積累氦質(zhì)譜粗/細(xì)檢漏共7類方法。所謂粗/細(xì)檢漏是以等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L=1.0Pa·cm/s為界限，一般將檢漏范圍大于該標(biāo)準(zhǔn)漏率值的稱為粗檢漏，小于的稱為細(xì)檢漏。

細(xì)檢漏方法包括氦質(zhì)譜細(xì)檢漏、放射性同位素（Kr85）細(xì)檢漏和光干涉法細(xì)檢漏等方法。其中，放射性同位素（Kr85）細(xì)檢漏所采用的公式中Kr85的壓入和外泄均按粘滯流，理論上不夠嚴(yán)謹(jǐn)，Kr85檢測(cè)的等效標(biāo)準(zhǔn)漏率可能與氦質(zhì)譜檢漏儀檢測(cè)的漏率相差非常大，又伴有輻射，在美國(guó)應(yīng)用較為普遍，近年來又推出了Kr85熱檢漏，但國(guó)內(nèi)應(yīng)用甚少。光干涉法細(xì)檢漏不受吸附漏率的影響，主要適用于具有易變形金屬或陶瓷上蓋的封裝，可用于集成在圓晶片上的MEMS等微小器件的矩陣式檢測(cè)，檢測(cè)效率高，近來發(fā)展較快，目前其可檢等效標(biāo)準(zhǔn)漏率L已與較先進(jìn)的單級(jí)氦質(zhì)譜檢漏儀相當(dāng)。普通氦質(zhì)譜檢測(cè)儀細(xì)檢漏的最小有效可檢測(cè)量漏率判據(jù)一般為5×10Pa·cm/s（He），檢測(cè)效率較高，且無(wú)損無(wú)害，是目前應(yīng)用最為普遍的細(xì)漏檢測(cè)方法，但被檢件的表面氦氣吸附常嚴(yán)重地制約氦質(zhì)譜檢漏儀的檢測(cè)靈敏度（最小可檢漏率），并限制著判據(jù)加嚴(yán)。高靈敏積累氦質(zhì)譜檢漏儀可達(dá)1×10Pa·cm/s～2×10Pa·cm/s，為新一代檢漏技術(shù)，但由于受限于檢漏原理、設(shè)備條件和表面吸附等因素，目前檢測(cè)效率較低。

粗檢漏包括許多方法，其中可與普通氦質(zhì)譜細(xì)檢漏實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接的是碳氟化合物氣泡法粗檢漏。近年來又快速地推出了放射性同位素（Kr85）、光干涉法和積累氦質(zhì)譜等粗/細(xì)組合檢漏手段。

2 積累氦質(zhì)譜檢漏方法

積累氦質(zhì)譜檢漏方法仍基于經(jīng)典的“豪威爾-曼方程”表征的分子流氣體交換原理，只是采用了新型的積累氦質(zhì)譜檢漏儀（CHLD）。該設(shè)備通過配置低溫冷凝泵氣體過濾、分子泵和四極質(zhì)譜儀等組合裝置，實(shí)現(xiàn)了高真空、高信噪比的檢測(cè)環(huán)境，檢漏靈敏度可較傳統(tǒng)的氦質(zhì)譜檢漏儀提高若干個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，較高靈敏度的實(shí)現(xiàn)依賴于更為嚴(yán)格的操作環(huán)境和條件。在MIL-STD-883J版1014.14密封試驗(yàn)方法中，對(duì)積累氦質(zhì)譜檢漏法的試驗(yàn)條件提出了更多的要求。在漏率校準(zhǔn)方面，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定優(yōu)化的校準(zhǔn)漏率為5×10Pa·cm/s，若信噪比大于100，則可測(cè)至10Pa·cm/s以下；對(duì)于抽氣系統(tǒng)，每次工作前均需校準(zhǔn)；對(duì)于凈化氣體，要求其氦含量低于1ppm，以免引入額外的氦，影響檢測(cè)精度；在表面吸附去除方面，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)于包含玻璃、金屬、陶瓷及其組合材料的外殼，應(yīng)進(jìn)行表面氦吸附去除。這是由于精細(xì)漏率測(cè)量會(huì)對(duì)被測(cè)件表面的沾污如水汽、油脂等導(dǎo)致的氦吸附，以及夾具和設(shè)備腔室的He背景水平敏感，為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)、有效，應(yīng)對(duì)氦吸附進(jìn)行仔細(xì)去除，同時(shí)避免用裸手操作樣品。而對(duì)于吸附去除方式如氣洗、環(huán)境放置和熱烘焙，標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定熱烘焙不能在真空中進(jìn)行，以免干擾大漏樣品的粗檢結(jié)果。

3 基于氦氣交換時(shí)間常數(shù)τHe的氦質(zhì)譜檢漏關(guān)鍵點(diǎn)

3.1根據(jù)可靠性貯存壽命要求，細(xì)化內(nèi)腔容積分段

由于器件失效與內(nèi)部水汽含量（即水汽所占的體積百分比）密切相關(guān)，因此，對(duì)于同樣的貯存壽命要求，不同內(nèi)腔容積器件的漏率判據(jù)不同，即：容積越大，漏率判據(jù)越寬松；容積越小，漏率判據(jù)越嚴(yán)格。在實(shí)際的應(yīng)用中，為便于操作，將器件按內(nèi)腔容積范圍劃分為若干段，每段對(duì)應(yīng)一個(gè)固定漏率判據(jù)。這種近似處理帶來一個(gè)問題，即歸入同一段內(nèi)的密封件的可靠性貯存壽命可能存在較大的差別。美軍標(biāo)MIL-STD-883H之前的版本和我國(guó)的GJB548中對(duì)內(nèi)腔容積劃分均較粗，導(dǎo)致按同一判據(jù)考核通過的器件其貯存壽命相差甚至達(dá)幾十倍。與此不同，得益于“τHe”的直觀性，可方便地通過計(jì)算一定容積范圍內(nèi)貯存壽命的變化程度，藉此確定合適的容積分段。通過研究，王庚林等給出的容積均稱分段細(xì)于當(dāng)前的國(guó)軍標(biāo)及美軍標(biāo)，更為科學(xué)、合理。同時(shí)，在最新的MIL-STD-883J版中，也采取了類似的作法，細(xì)化內(nèi)腔容積分段，但其分段是不均稱的。

3.2突破候檢時(shí)間的局限性

所謂候檢時(shí)間，是指被試器件從加壓去除后到開始檢漏的時(shí)間間隔。通常，在該時(shí)間內(nèi)器件將被自然放置或加熱烘焙以去除在外表面上吸附氦氣的影響。目前，在美軍標(biāo)和國(guó)軍標(biāo)中對(duì)候檢時(shí)間均規(guī)定為不超過1h，以防止漏檢。然而對(duì)于批檢，由于背壓后的所有器件須在1h內(nèi)檢測(cè)完畢，可供去除氦吸附的操作時(shí)間大大縮短，造成較大樣品本底去除困難，影響檢測(cè)精度。王庚林等基于“τHe”表達(dá)方式的簡(jiǎn)潔性，系統(tǒng)地推導(dǎo)了最長(zhǎng)候檢時(shí)間的計(jì)算公式，在確保不出現(xiàn)漏檢的前提下，找到了候檢時(shí)間與密封件內(nèi)腔容積V近似成正比的關(guān)系，有效地延長(zhǎng)了最長(zhǎng)候檢時(shí)間，適應(yīng)被檢件的外形尺寸大時(shí)，初始吸附氦漏率較高、自然存放衰減較慢，需要更長(zhǎng)去吸附時(shí)間的特點(diǎn)。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的檢測(cè)工作，以及將來密封判據(jù)和檢測(cè)水平提高后，需更長(zhǎng)時(shí)間以有效地去除吸附氦的影響，均具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.3提出二步檢測(cè)法

為了進(jìn)一步地拓展候檢時(shí)間長(zhǎng)度，為需要時(shí)去除被檢件的表面吸附氦、控制本底、或使用本底更低的檢漏儀以完成更高精度的漏率檢測(cè)創(chuàng)造條件，王庚林等提出了二步檢測(cè)法，即先將原“τHe”判據(jù)等級(jí)降低，按降低后判據(jù)對(duì)應(yīng)的候檢時(shí)間和測(cè)量漏率進(jìn)行第一步檢漏，剔除大漏樣品；之后可延長(zhǎng)原先的候檢時(shí)間，對(duì)通過的樣品進(jìn)行二次檢漏（細(xì)檢），并確保不出現(xiàn)漏檢。二步檢測(cè)法不僅有效地拓展了最長(zhǎng)候檢時(shí)間，而且在第一步中剔除了泄漏較大的樣品，避免這些樣品在第二步檢測(cè)中影響檢漏儀的本底，使檢測(cè)更為精確、快捷，是檢漏手段的一個(gè)創(chuàng)新。

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