組件封裝腔體水汽含量超標(biāo)分析

趙曉明

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 引言

在軍用設(shè)備方面，大量使用了各種微電路、混合電路，多芯片模塊等，隨著武器裝備的發(fā)展以及使用環(huán)境的嚴(yán)苛要求，水汽含量對(duì)組件造成的失效凸顯為重要的因數(shù)。從封裝腔體內(nèi)部來看，單單水汽一個(gè)因數(shù)是不會(huì)造成器件失效的，也不會(huì)造成腐蝕，更多的是因?yàn)樗鳛檩d體引起的腐蝕作用，導(dǎo)致電路失效。

1 水汽的來源

封裝腔體內(nèi)的水汽主要有三個(gè)來源：A腔體密封效果不理想導(dǎo)致的外部水汽漏入腔體內(nèi)部；B腔體內(nèi)壁，內(nèi)部材料以及內(nèi)部使用的元器件釋放的水汽；C腔體內(nèi)部氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的水。

按照“GJB548B-2005方法1018內(nèi)部水汽含量”的要求，密封腔體內(nèi)部的水汽應(yīng)低于5 000 ppm，這是因?yàn)? 000 ppm水汽對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)(空氣中水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度)-2 ℃(水汽含量越小，露點(diǎn)越低)，而水的凝固點(diǎn)為0 ℃，故當(dāng)在封裝內(nèi)部水汽含量低于5 000 ppm時(shí)，水或者以氣態(tài)或者固態(tài)冰的方式存在，就不會(huì)引起液態(tài)水造成的損傷。

此外業(yè)界目前存在一個(gè)共識(shí)：能夠促進(jìn)腐蝕所必須的液態(tài)水量是三個(gè)單分子層厚的水，在不同尺寸的封裝內(nèi)，將三個(gè)單分子層的液態(tài)水轉(zhuǎn)換成水汽會(huì)產(chǎn)生不同的含量，在大封裝內(nèi)水的體積要比小封裝內(nèi)的水的體積大得多。所以如果這些封裝的漏率相同，大封裝漏入等效于三個(gè)單分子層的液態(tài)水比小封裝需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

1.1 腔體密封效果不理想導(dǎo)致外部水汽漏入腔體內(nèi)部

對(duì)于采用金屬、陶瓷，玻璃等材料進(jìn)行封裝的腔體，可以近似的認(rèn)為這部分封裝材料是氣密的，我們可以這么認(rèn)為:經(jīng)過加壓粗、細(xì)檢并被判定合格的上述材料封裝可以忽略外面水汽的漏入。

計(jì)算金屬到封裝內(nèi)部的水汽的方法請(qǐng)見以下公式：

Lh20=-V/t[in(1-qh2o/Δph2o)].

式中：Qh2o為漏入到封裝內(nèi)的水；V為封裝內(nèi)空余的體積，cc；t為時(shí)間，s；Lh2o為真實(shí)水汽漏率，atm.cc/s；ΔPh2o為封裝內(nèi)網(wǎng)初始水汽分壓的差值。

1.2 腔體內(nèi)壁、內(nèi)部材料及內(nèi)部使用的元器件釋放的水汽

目前，常規(guī)的軍表產(chǎn)品均在充滿氮?dú)獾氖痔紫鋬?nèi)進(jìn)行封裝，但即使手套箱完全密封也會(huì)含有一定的水汽，通常為20 ppm～100 ppm。同時(shí)封裝內(nèi)部的材料會(huì)釋放大量水汽，釋放水汽的量主要決定于材料的種類，制備工藝和密封前的預(yù)處理情況。釋放出的水汽主要有兩種來源：吸附在材料表面的水汽和分布在材料內(nèi)部的水汽，前者在很短的時(shí)間內(nèi)就能去除，而材料內(nèi)部的水汽則需要很長(zhǎng)時(shí)間才能去除。一般只采用金錫、金硅、金鍺等不需要采用助焊劑的合金焊料進(jìn)行貼片的封裝內(nèi)部的水汽，通過120 ℃～130 ℃，16 h～20 h真空烘烤即可去除，從而很容易滿足封裝內(nèi)水汽小于5 000 ppm。

而采用導(dǎo)電膠進(jìn)行貼片的封裝內(nèi)，由于存在易吸水的環(huán)氧材料，一般需要更高的溫度或更長(zhǎng)的時(shí)間才能將水汽去除，經(jīng)正常固化后的封裝經(jīng)過120 ℃～130 ℃，16 h～20 h真空烘烤，封帽后直接RGA測(cè)水汽，一般都能滿足小于5 000 ppm。如果環(huán)氧固化不充分，則需要更長(zhǎng)的時(shí)間或更高的溫度進(jìn)行烘烤。

如果采用助焊劑或其他的有機(jī)材料等，即使通過120 ℃～130 ℃，48 h真空烘烤也很難滿足水汽含量小于5 000 ppm。

另外對(duì)于封裝來說，封裝內(nèi)鍍層水汽會(huì)是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，在電鍍過程中，水汽被封閉在鍍層內(nèi)，釋放出的水汽的量與鍍層的表面積成正比。小體積的封裝表面積對(duì)體積的比率比大體積的封裝大得多，被封裝在鍍金層的水汽量因電鍍工藝不同也存在著很大的差異。封裝內(nèi)部出現(xiàn)的水汽很少，約等于密封箱內(nèi)的水汽含量，通常在20 ppm～100 ppm，大部分的水汽釋放過程發(fā)生在老化和高溫工作過程，在給定的溫度下，釋放出的水汽量與時(shí)間成對(duì)數(shù)關(guān)系，主要有兩個(gè)原因：可釋放的水汽量在逐漸減少；隨著水汽的釋放，封裝內(nèi)的水汽壓力在逐漸增加，從而降低了水汽釋放的速度。

1.3 腔體內(nèi)部氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水

雖然理論上存在氫氣和氧氣發(fā)生反應(yīng)的可能性，但是這個(gè)反應(yīng)的速率在常溫和常壓下非常慢，以至于多年也不能形成可以檢測(cè)到的水汽量。然而，合適的催化劑將導(dǎo)致這個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，在封裝內(nèi)氫氣和氧氣是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的問題上，目前業(yè)界仍然存在爭(zhēng)議。

2 產(chǎn)品故障分析

在實(shí)際裝配檢測(cè)過程中，存在組件水汽含量超標(biāo)，針對(duì)其失效現(xiàn)象進(jìn)行分析，查找失效定位。對(duì)于封帽工藝而言，在縫焊前采用適當(dāng)?shù)臈l件進(jìn)行烘烤，立即進(jìn)行RGA試驗(yàn)，確保水汽含量滿足國(guó)軍標(biāo)要求是非常容易實(shí)現(xiàn)的，但如果不對(duì)封裝材料進(jìn)行預(yù)處理直接封帽，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的老煉或高溫烘烤后再進(jìn)行RGA試驗(yàn)，封裝內(nèi)的水汽是很難滿足國(guó)軍標(biāo)要求的。

2.1 高溫烘烤試驗(yàn)

采用鍍金合金材料制作密封樣品，樣品內(nèi)部填充高純氮?dú)?。樣品分四組，分別在125 ℃進(jìn)行48 h，168 h，500 h，1 000 h的烘烤，測(cè)試結(jié)果如表1。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，材料排放出的氣氛大部分是氫氣和少量的水汽。

表1 內(nèi)部氣氛分析結(jié)果1

另外，取未經(jīng)過電鍍處理的可伐材料再密封、高純氮?dú)猸h(huán)境中，密封在合適的玻璃容器中。樣品分三組，第一組是空封，進(jìn)行320 ℃，150 h烘烤，第二組有可伐材料，進(jìn)行320 ℃，100 h烘烤，第三組有可伐材料，進(jìn)行320 ℃、150 h烘烤，三組樣品分別進(jìn)行內(nèi)部氣氛含量的測(cè)量，結(jié)果如表2。

表2 內(nèi)部氣氛分析結(jié)果2

測(cè)試結(jié)果表明：金屬材料內(nèi)部吸附了大量的氫氣和水汽，在密封環(huán)境中，慢慢釋放在腔體內(nèi)，造成氫氣中毒。

2.2 故障數(shù)分析

根據(jù)高溫烘烤試驗(yàn)結(jié)果，在分析封裝內(nèi)部水汽含量超標(biāo)問題時(shí)候要搞清楚測(cè)試前是否經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的高溫烘烤，因?yàn)榻?jīng)歷不同時(shí)間高溫烘烤的封裝內(nèi)部水汽含量不具備可比性，例如封帽后封裝內(nèi)部水汽正常，不代表經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤也正常，這不能作為評(píng)判前面工藝或操作是否正常的根據(jù)。

因此在不考慮RGA試驗(yàn)本身異常的前提下，針對(duì)生產(chǎn)過程中某產(chǎn)品水汽含量超標(biāo)的問題可以建立如下故障樹。

圖1 水汽含量超標(biāo)故障樹圖

2.3 分析驗(yàn)證圖

2.3.1 E1殼體漏氣

外殼漏氣會(huì)導(dǎo)致封裝內(nèi)部在封帽RGA時(shí)水汽含量超標(biāo)。一般情況下，空氣中的水汽含量約為20 000 ppm，如果封裝很少泄露，封帽后立即進(jìn)行RGA試驗(yàn)時(shí)可以檢測(cè)出一定量的He。如果腔體本身大漏，空氣會(huì)通過封裝的漏孔和內(nèi)部的氣體交換，甚至達(dá)到平衡?？赏ㄟ^監(jiān)測(cè)腔體中出現(xiàn)的氣體比例，如果純氮轉(zhuǎn)化為空氣氣氛比例的趨勢(shì)，則腔體大漏?？傊ㄟ^He撿漏及氣體成分分析，可以判斷腔體漏氣的情況。

2.3.2 E2封帽環(huán)境水汽含量超標(biāo)

封帽環(huán)境對(duì)于最終產(chǎn)品的腔體水汽含量具有直接的影響，從工藝角度來分析主要存在兩種可能。E2.1封帽設(shè)備環(huán)境水汽超標(biāo)和E2.2烘烤不充分。封帽一般按照露點(diǎn)儀上的露點(diǎn)進(jìn)行控制，常規(guī)的工藝要求相對(duì)濕度小于1%RH時(shí)才可以將烘烤完畢的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到手套箱進(jìn)行封帽。如果E2.1封帽設(shè)備環(huán)境水汽超標(biāo)，首先建立在露點(diǎn)儀故障的前提下，如果露點(diǎn)儀正常，排除人為不按要求操作，則封帽設(shè)備環(huán)境受控。

2.3.2.1 E2.2封帽設(shè)備環(huán)境水汽超標(biāo)

封帽設(shè)備環(huán)境為氮?dú)猸h(huán)境，水汽超標(biāo)的原因是輸入的氮?dú)馑瑯?biāo)引起的，氮?dú)馑瑯?biāo)的情況建立在露點(diǎn)儀故障的前提下，如果氮?dú)獗旧硭瑯?biāo)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量封帽后超標(biāo)?？赏ㄟ^針對(duì)同管道輸入的其他設(shè)備的產(chǎn)品進(jìn)行判斷，如果多臺(tái)套設(shè)備均出現(xiàn)水汽指標(biāo)異常則存在氮?dú)馑砍瑯?biāo)的可能性。

2.3.2.2 E2.2烘烤不充分

烘烤記錄需完整詳實(shí)，追溯產(chǎn)品的烘烤條件以及烘烤設(shè)備的運(yùn)行情況，針對(duì)同臺(tái)設(shè)備封帽的產(chǎn)品進(jìn)行水汽分析，判斷烘烤設(shè)備是否異常，排除設(shè)備故障后，在正常操作記錄的前提下可排除烘烤不充分導(dǎo)致失效的可能。

2.3.3 E3芯片元器件裝配過程引入水汽

目前組件、模塊用的裝配方式主要有兩種：導(dǎo)電膠粘接和共晶焊料焊接。在這兩種工藝中分別存在E3.1導(dǎo)電膠未完全固化和E3.2助焊劑兩種引入水汽的可能。導(dǎo)電膠未完全固化分析過程類似E2.2烘烤不充分，如能排除烘烤條件和烘烤時(shí)間異常，則E3.1現(xiàn)象可排除。而E3.2助焊劑引入的水汽難以通過常規(guī)烘烤進(jìn)行水汽清除，建議使用金錫、金硅、金鍺等不需要采用助焊劑的合金焊料進(jìn)行焊接，確保腔體內(nèi)部水汽含量滿足國(guó)軍標(biāo)要求。

2.3.4 E4外殼漏氣

此處的外殼漏氣是在高溫儲(chǔ)存后RGA試驗(yàn)水汽超標(biāo)的外殼漏氣現(xiàn)象。E4外殼漏氣應(yīng)為非常細(xì)微漏氣以至于封裝后水汽含量未發(fā)現(xiàn)異常，但針對(duì)高溫儲(chǔ)存后的外殼細(xì)漏現(xiàn)象，檢測(cè)的首選方法還是通過He檢漏進(jìn)行確認(rèn)。

2.3.5 E5材料水汽釋放

如封裝后RGA檢測(cè)，水汽含量滿足國(guó)軍標(biāo)要求，經(jīng)過高溫儲(chǔ)存后水汽含量明顯增加，主要有兩種來源，吸附在材料表面的水汽和分布在材料內(nèi)部的水汽。前者通過正常烘烤在很短時(shí)間內(nèi)就可去除；而材料內(nèi)部的水汽則需要很長(zhǎng)時(shí)間才能去除，材料本身、鍍層、導(dǎo)電膠、芯片及金絲表面及內(nèi)部都有可能釋放水汽導(dǎo)致封裝內(nèi)水汽含量的超標(biāo)。

2.3.5.1 E5.1導(dǎo)電膠釋放

導(dǎo)電膠主要由樹脂基體、導(dǎo)電粒子和分散劑等組成。環(huán)氧樹脂本身易吸水，同時(shí)導(dǎo)電膠內(nèi)各有機(jī)材料，如果固化不完全甚至固化完全的條件下，經(jīng)過長(zhǎng)期高溫存儲(chǔ)，也有可能釋放出CO2，H2O、H2等，造成水汽或氫含量超標(biāo)。此外管芯和襯底的有機(jī)粘接材料在固化后存在許多空洞和氣泡，空洞和氣泡中含有水汽不易去除，密封后也會(huì)隨熱應(yīng)力的激發(fā)慢慢的釋放出水汽。因此對(duì)于導(dǎo)電膠的使用，可以依據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，選用經(jīng)多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品使用無異常的膠類型號(hào)且對(duì)粘接后采用X光檢測(cè)其空洞情況，按照國(guó)軍標(biāo)要求進(jìn)行空洞率控制篩選。

2.3.5.2 E5.2腔體內(nèi)材料釋放

鍍金金屬材料內(nèi)部吸附大量的氫氣和水汽，在密封環(huán)境中，通過長(zhǎng)時(shí)間高溫烘烤，必然會(huì)造成封裝內(nèi)部水汽和氫含量增加。管殼壁的微小劃傷等也可產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚作用，在密封時(shí)或密封后的熱應(yīng)力作用下，凝聚的水汽也會(huì)釋放出來。目前對(duì)于腔體材料釋放水汽的情況，各單位的工藝水平和使用經(jīng)驗(yàn)均存在差異，需進(jìn)一步分析研究。建議對(duì)腔體內(nèi)部鏡檢，鍍金后加熱預(yù)處理，觀察是否存在鼓泡(可利用鼓泡的產(chǎn)生定性表征含水汽的程度)等方法，排除潛在水汽超標(biāo)因素，提升產(chǎn)品成品率。

2.3.5.3 E5.3內(nèi)部器件及材料釋放

組件內(nèi)部裝配的主要是芯片，信號(hào)連接電路，以及起電氣互聯(lián)的金絲金帶或者鋁絲鋁帶等，隨著組件設(shè)計(jì)的發(fā)展，其中芯片及連接電路均可采用半導(dǎo)體材料及工藝實(shí)現(xiàn)，選用LTCC或者HTCC，DBC等材料替換原有的PCB板，可有效降低該失效現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

本文對(duì)各種微電路、混合電路，多芯片模塊等組裝器件內(nèi)部水汽含量超標(biāo)的原因進(jìn)行分類分析，并就各種原因進(jìn)行驗(yàn)證。隨著武器裝備的發(fā)展以及各種組件器件對(duì)使用環(huán)境的嚴(yán)苛要求提高，水汽含量超標(biāo)還需要進(jìn)一步解決。