微电路封装产品内部水汽含量的分析与控制方法

微电路封装产品内部水汽含量的分析与控制方法
陈 鹏 欧昌银
(中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆市，400060)

摘 要：为了使我所微电路封装产品能广泛满足航空、航天及其他特殊领域对内部水汽含量的要求(≤5000ppm)，提出了降低金属或陶瓷结构封装的微电路封装产品内部水汽含量的控制方法和工艺要求。

关键词：微电路封装产品；水汽含量；ppm

中图分类号：TN305．94 文献标识码：A

1 引言

微电路封装产品的可靠性提高，是整机产品最终质量保证坚实的基础。微电路封装产品内部水汽含量的技术研究在国内外开展了20多年，而我国内部水汽含量的工艺技术研究工作是近几年才开展的。随着航空、航天及其他特殊领域对微电路封装产品的可靠性要求越来越高，加强微电路封装产品的内部水汽含量的控制和工艺要求是解决问题的必不可少的方法。二十四研究所为了提高微电路封装产品的可靠性质量，积极开展了内部水汽含量的技术研究工作。

2 影响内部水汽含量的主要因素

为了达到内部水汽含量控制≤5000ppm这个目标，必须充分认识金属或陶瓷外壳结构的微电路封装产品内部水汽含量的现状和规则，这是分析和解决内部水汽含量问题的关键条件。

通过近2年来的研究工作，我们找到了影响微电路封装产品内部水汽的主要原因和解决问题的控制方法，其主要原因如下：

2．1 操作箱密封性问题

封帽设备的操作箱没有完全密闭，密封性差，而且操作箱体积较大，湿度难控制。尽管封帽前器件进行了高温烘焙，操作箱内充高纯N2，高纯N2本身的湿度控制有波动，焊接时操作箱的相对湿度只能控制在5％左右，所以封装后，结果并不理想。

2．2 烘焙温度、烘焙时间问题

在我所现有的工艺条件下，封帽前微电路封装产品的烘焙温度、烘焙时间不确定，这二者对内部水汽含量的影响较大，而优化确定工艺条件，是建立在大量试验基础上的。

2．3 封装的气密性问题

微电路封装产品的气密性要求高，稍有微漏，常常造成内部水汽含量超标。而微电路封装由于设备性能、管壳质量、工艺技术平台等特殊原因，产品的气密性保证是封装过程的一个难关。

2．4 贴装的空洞问题

微电路封装产品贴装之后，X射线照相发现空洞现象。经过高、低温老炼，加剧空洞破裂放出内部气氛，造成内部水汽含量超标。

2．5 管壳质量问题

部分产品的金属或陶瓷管壳质量较差，例如：陶瓷管壳关键贴片部位比较粗糙，结构设计不合理；金属管壳玻璃绝缘子引线，经过高温老练，玻璃绝缘子有裂纹现象，这些影响了水汽含量的控制，也降低了成品率。

2．6 芯片贴装用胶的问题

芯片贴装用的胶，是释放水汽的材料。胶在固化的过程中，水汽不能充分排除，经过长时间高、低温老炼，再次释放出水汽。我们的经验总结，共晶贴片的电路内部水汽含量比聚合物胶粘结的小很多。

2．7 混合微电路封装产品组装的问题

对混合微电路封装产品而言，组装的元器件数量，变压器浸漆，陶瓷基板的空洞，导带布线的致密性等，都是影响内部水汽含量控制的因素。

3 采取的相应措施

3．1 准备工作

根据技术攻关总体要求，收集资料，编制实施方案，相关技术人员和操作人员进入到自己的工作角色，并进行相应的技术准备。

3．2 高纯N2流量控制

针对N2本身的湿度问题，使用纯度达9．999％的N2，并随时检测高纯N2的湿度。

针对操作箱内高纯N2压力不充足，调整操作箱N2的进出流量比例，①改变原来的操作箱充N2不足为每天24小时一直充高压N2；②在操作箱N2出口处加装了N2流出量的控制压块，使进气量远远大于出气量，让干燥的N2在操作箱内停留的时间延长，以达到最佳效果。

3．3 操作箱湿度控制

针对设备操作箱体积大、湿度难控制，使用进口设备的密闭性好的操作箱，并在操作箱内加装湿度计，随时监控操作箱内的湿度变化。制定内部水汽含量的控制条例，贴在设备旁边。条例要求操作人员打扫卫生时，不能使用湿毛巾，必须使用吸尘器和干燥清洁的毛巾；不准随意打开操作箱，不准随意取掉操作手套，如果操作手套有一个砂眼，必须及时更换，保证操作箱的湿度在0-3％范围。因为水汽没有正、负压，无孔不入，一个漏孔，往往导致操作箱湿度偏大。

3．4 产品气密性控制

针对微电路封装产品的气密性要求高，优化封帽的工艺参数，采取专人操作，多练习，熟悉各种管壳的封帽条件，使封帽技能提高；对封帽模具和电极定时修整打磨，尽可能提高封装产品的气密性，保证细检的标准漏率控制在10-9mbar．L／s以上，，一次封帽合格。目前我们封装的产品90％气密性都在10-9mbar．L／s以上，并记录下每只微电路封装产品的标准漏率，统计分析这些数据，寻找对策。这些措施对控制内部水汽含量和氧含量有很大的帮助。

3．5 贴装产品空洞控制

针对微电路封装产品的空洞现象，分析空洞的形成原因，分别采取不同的措施：共晶烧结采取手动摩擦，聚合物粘结控制滴胶量和胶的固化温度，排除芯片和管壳之间的气泡。定期抽样送广州五所作X射线照相，监控我们的产品空洞不超标。现在，我们贴装的产品空洞＜5％。

3．6 管壳质量控制

针对部分金属或陶瓷管壳质量较差，我们加强管壳的人所验收，及时与管壳厂家沟通。管壳使用前，采取超声清洗(甲苯、丙酮、乙醇超声一定时间，无水乙醇脱水)和高温烘焙(合适温度、合适时间)，目的是保证管壳干燥清洁，不产生水汽。从相关的同行和大量的资料得知，封装的芯片和管壳，在超声清洗后，再使用等离子清洗技术，能够大大改善芯片的剪切强度和密封性，对控制内部气氛有很大好处。目前，我们正在进行相关试验，以改善封装产品的可靠性。

3．7 贴装用胶控制

针对贴装用不同的胶，专门作胶的水汽试验，依据水汽检测数据，更换胶的型号，选择强度好、释放水汽少的胶。我们现在使用的胶，是在大量试验基础上选择出来的，能够很好控制水汽含量释放。

3．8 优化封帽条件

在大量试验的基础上，根据不同种类的微电路封装产品，制定了不同的封帽条件，严格控制：长时间抽真空，高温烘焙(合适温度、合适时间)作箱内高纯N2压力充足，封帽参数优化。

4 试验及检测结果分析

根据自身条件，针对设备现状，我所专门引进使用了ACCU-5200储能焊接机和M2100平行缝焊机以及GK-2合金焊料熔封炉。

储能焊接机和平行缝焊机的烘箱与操作箱是一个整体，微电路封装产品从烘箱传输到操作箱的过程完全密闭。烘箱烘焙温度可控且抽真空、可以充高纯N2；设备操作箱的气密性好，操作箱内24小时充高纯N2，呈正压状态。

合金焊料熔封改H2熔封为全N2熔封，可以控制管壳型号PGA84线及更大腔体的产品内部水汽含量。


加工的试验样品，经我所DGCl001型氦质谱检漏仪(细检)、FC-JIY-1型氟碳油检漏仪(粗检)检漏，发现ACCU-5200储能焊接机封装的5只TO-04M2样品漏气，采取补封措施后检漏合格，其余的样品一次检漏合格。全部试验样品送广州五所元器件可靠性研究分析中心分析检测，结果如下：

试验的内部气氛含量检测结果说明：封装的产品，一次性封装检漏合格，内部N2含量较高，内部水汽含量检测≤5000ppm。另外，5只TO-04M2样品漏气，即便采取补封措施检漏合格，其内部水汽含量仍然严重超标。所以，我们即使使用性能好，操作箱密封好的进口设备，也要求提高封装工艺水平，加强质量意识，尽量一次性封装检漏合格，才能达到内部水汽含量检测的要求。

5 结论

以上选择的是大量试验中比较典型的有针对性的试验。事实证明，我所微电路封装产品，只要经过严格的工艺控制，其内部水汽含量能满足≤5000ppm。

首先应该提高封装工艺水平，加强每个员工的质量意识，尽量一次性封装检漏合格。在工艺实施过程中，使用高质量的管壳，避免不必要的漏气出现，而且管壳要清洗烘焙。其次，工艺保障条件如下：①尽量保证封帽机操作箱的密封性，要使操作箱与外界环境保持正气压，把箱内空气彻底排除干净；②封帽前，把微电路封装产品放在烘箱内抽真空并充高纯N：数次，且在合适的温度下，烘焙合适的时间，目的是彻底排除微电路封装产品本身吸附的水汽。这些控制方法，已经纳人我们的封装工艺规范，在整个封装过程中严格执行，指导科研生产
工作。

通过严格的工艺过程控制，我所微电路封装产品的内部水汽含量≤5000ppm，使我所微电路封装产品的可靠性上了一个新台阶，提高到了一个新水平。 当然，我们的工作还有不足，比如：特大腔体管壳，混合微电路组装产品有毛刺、有缝隙等水汽含量问题有待进一步探讨；操作箱内部如果使用高级的露点仪，将更好监控操作箱湿度。

6 结束语

最后，对于内部水汽研究工作中，给予大力帮助和支持的24所第十五研究室广大工程技术人员、工人师傅以及广州五所元器件可靠性研究分析中心吴文章同志表示深切的感谢。

本文摘自《电子与封装》