氣密封元器件內(nèi)部氣氛分析方法發(fā)展研究

趙昊，彭澤亞，陳選龍，賴燦雄，周斌

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

氣密封元器件內(nèi)部空腔中的氣體是影響元器件長期使用可靠性的重要因素。隨著對內(nèi)部氣氛引起氣密封元器件失效機理研究的加深，以及內(nèi)部氣氛分析設(shè)備的廣泛應(yīng)用，內(nèi)部氣氛分析方法在最近十余年的時間內(nèi)進步非常大。2016年實施的美軍標(biāo)MIL-STD-883K—2016對其中的內(nèi)部氣氛分析方法進行了重新編寫。

1 分析對象的擴展及其機理

傳統(tǒng)認為，水汽是氣密封元器件內(nèi)部氣氛中最關(guān)鍵的有害氣體，原因有：1）水汽的來源比較廣泛，密封腔體水汽來源主要分為腔體密封不良導(dǎo)致外部滲入，密封管殼、腔體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等釋放，腔體內(nèi)部氫氧化學(xué)反應(yīng)生成等3個方面[1]；2）水汽是產(chǎn)生氣密封元器件故障與失效的主要因素，其冷凝后形成薄水膜，溶解腔體內(nèi)部沾污或者釋放的污染物生成電解質(zhì)，引起各種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)，同時具有電介質(zhì)性能的水膜會引起元器件參數(shù)波動與漂移[2]。典型的水汽導(dǎo)致元器件失效案例如圖1-2所示。

圖1 水汽導(dǎo)致鍵合絲腐蝕并斷裂

圖2 水汽導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)并生成污染物

但是，隨著大量的氣密封元器件在航空航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用，氫氣、氧氣和有機氣體等其他內(nèi)部氣氛成分引起的故障與失效時有發(fā)生。例如：氫氣會與鈦、鉑、鈀等金屬生成氫化物，使材料的塑性和韌性下降，導(dǎo)致力學(xué)失效；而如果器件的柵極生成氫化物，由于氫致壓電效應(yīng)，閾值電壓就會發(fā)生漂移[3]。低溫條件下，甲醇溶解氯離子后形成電解質(zhì)，使金電極發(fā)生電化學(xué)遷移生成枝晶，從而導(dǎo)致失效[4]。

隨著對氣密封元器件內(nèi)部腔體中非水汽其他氣氛導(dǎo)致失效的現(xiàn)象發(fā)生及其機理的研究，內(nèi)部氣氛其他氣體的檢測與分析也非常重要。因此，MILSTD-883K—2016方法1018.8已經(jīng)由水汽分析修改為內(nèi)部氣氛分析，明確地提出除水汽外，還應(yīng)當(dāng)檢測氮氣、氧氣、氬氣、二氧化碳、氫氣和碳氟化合物等。

2 分析方法的簡化及其機理

GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》中的“方法1018.1內(nèi)部水汽含量”介紹了3種水汽含量的檢測方法。其中，方法1是通過設(shè)置真空環(huán)境對內(nèi)部空腔中的水汽進行取樣，并利用質(zhì)譜分析得出其含量；方法2是通過干燥載體氣體對內(nèi)部空腔中的水汽進行取樣，并通過濕度傳感器得出其含量；方法3是通過在內(nèi)部腔體中集成濕度傳感器，得出其含量。

按照水汽分析的原理，方法2和方法3均利用濕度傳感器分析水汽含量，因此傳感器的選擇成為該兩類方法的關(guān)鍵。按照濕度信號轉(zhuǎn)換方式分類，濕度傳感器可以分為電信號式、聲信號式和光信號式，其中，以電信號式的應(yīng)用最為廣泛。電信號式濕度傳感器根據(jù)濕敏元件的不同包括了電解質(zhì)類[5]、聚合物類[6]、陶瓷類[7]和納米材料類[8]等。彭韶華[9]和黃慧鋒[10]研究了CMOS工藝兼容的單片集成濕度傳感器（如圖3所示），設(shè)計了平面鋁叉指結(jié)構(gòu)、采用PI-5型聚酰亞胺感濕介質(zhì)材料，采用了SOP封裝結(jié)構(gòu)，解決了集成智能濕度傳感器的微型化問題；同時兼容集成電路制造工藝，使得方法3具備了可行性。

圖3 溫濕度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖[9]

根據(jù)本文第1章的分析，氧氣、氫氣等其他內(nèi)部氣氛誘發(fā)元器件故障與失效的現(xiàn)象時有發(fā)生，同樣需要進行成分與含量分析，而方法2和方法3只能分析水蒸氣含量。同時，方法3對于集成電路制造成本、器件體積和設(shè)計復(fù)雜程度等都有相當(dāng)大的影響，目前行業(yè)常見的氣密封集成電路尚無集成濕度傳感功能。綜上所述，MIL-STD-883K—2016方法1018.8中已經(jīng)刪除了方法2和方法3，僅保留實用性最強、也是目前最普遍使用的方法1。

3 結(jié)束語

隨著對氫氣、氧氣和有機氣體等內(nèi)部氣氛誘發(fā)氣密封元器件失效的機理研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部氣氛分析對象應(yīng)當(dāng)由水汽擴展到全成分分析。通過濕度傳感器檢測水汽含量的方法，由于檢測對象有限，在內(nèi)部氣氛分析中已經(jīng)由質(zhì)譜分析法所替代。MILSTD-883K—2016對其中的內(nèi)部氣氛分析方法在上述兩個方面著重地進行了修改，但是我國現(xiàn)行的GJB 548B—2005已經(jīng)落后于當(dāng)前技術(shù)的進步，相關(guān)研究人員應(yīng)及時地對GJB 548B—2005中的相關(guān)內(nèi)容進行修訂，以適應(yīng)技術(shù)進步的需要。