器件的筛选与检测
潘廷龙+梁伟明+王涛
[摘 要]电子器件内部水汽含量、有害气氛的检测及分析，一直是国内气密封装电子器件的难题。由于对器件内部水汽含量、有害气氛无法进行检测及分析，就很难保证器件的封装质量。器件内部水汽、有害气氛导致器件失效，这是影响国内电子元器件使用可靠性的主要因素之一。本文主要对检测技术与控制方法进行了探讨。
[关键词]电子器件 水汽含量 检测技术
中图分类号：TU803 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）45-0041-01
引言
密封电子元器件内部如果存在水汽、氧化性气体、还原性气体、两性气体和有机气体等，对于内部有极性或有触点的电子元器件就会产生短路、电迁移、污染和腐蚀等危害，特别在电应力、温度应力作用下，这种影响和危害还会加剧，导致电参数漂移或功能丧失，为此，要全面了解内部水汽含量的检测原理以及正确掌握检测方法，是准确测定密封器件内部水汽及其它有害气体含量的重要技术保证。
一、内部水汽的来源
密封元器件内部水汽的来源主要有：一是封入密封腔体的保护气体，如氮气中的水汽；二是密封元器件内部的各种零部件表面吸附的水；三是密封元器件内部使用的有机材料经密封前较高温度较长时间的焙烘，在元器件密封后的筛选和贮存过程中分解出的水，或有机材料中的碳氢化合物与氧进行化学反应产生的水，逐渐释放至腔体。密封元器件内部使用的密封元器件内部超标水汽的慢泄漏，也起类似的作用；周围环境中的水汽和氧，在贮存中通过密封元器件外壳上的微小漏孔逐渐进入密封腔体。
采用相同材料、结构和工艺的同批密封元器件，腔体内水汽含量常出现几倍甚至十几倍的差异，主要原因常是：漏率虽然合格，但漏率数值相差较大。漏率偏大是造成密封后筛选和贮存期间元器件内部水汽含量超标的重要原因。
二、水汽含量检测原理
1、采用质谱分析法来测定器件内部的水汽含量。其工作原理是刺穿样品后将器件内部所体抽入真空腔内，对该气体进行离子化后，利用离子在电场或磁场中的运动特性，把离子按质荷比分开，并按质荷比大小形成质谱，通过计算机将测得的质谱与已知的质谱库进行对比筛选计算，从而得到相关气体的组成和体积百分含量，同时也就得到其中的水汽含量。
2、采用累积计算50℃时干燥的载体气体收集水汽的方法来测定器件内部的水汽含量的。其工作原理是刺穿样品后通过流动的干燥运载气体将器件内气体携出，利用湿度传感器和电子积分检测器累积计算携出的水汽的绝对含量，并通过计算得到被测器件中的气体重量，然后再正得到水汽含量的相对值。
3、通过测量已校准的湿度传感器或集成电路芯片响应的方法来测定器件内部的水汽含量的。其工作原理是预先将湿度传感器或集成电路芯片的敏感参数与检测原理1中的质谱仪所测试的水汽含量建立一一对照的关系，然后将其密封在器件封壳内，并与封装外部的引线端相连接，通过测试湿度传感器或集成电路芯片的敏感参数即可了解器件内的水汽含量情况。
三、器件内部水汽含量检测技术与分析
1、内部水汽含量检测
水汽含量高会引起光电藕合性能参数不稳定，尤其是输入输出反向漏电流，绝缘电阻和传输电流比等参数对水汽都较敏感。水汽含量高会降低光电祸合器的使用与贮存可靠性和环境适应性，严重时还会使光电祸合器内装芯片铝金属化系统或铝内引线被腐蚀甚至开路。在对样品的解剖分析过程中，样品内部的硅芯片表面铝金属化层因水汽含量高而产生了腐蚀，样品的LED反向电流及输出端的暗电流开封后，铝层因干燥度的变化而比开封前有较明显的减小。
无论是硅芯片铝金属化层出现了腐蚀现象，还是暗电流在开封前后的明显变化，都证实了封装内部水汽会对光电藕合器产生不良的影响和危害。
2、内部残存气氛的检测方法
气密封器件内部残存气体的检测，采用内部气氛分析仪进行，其主要原理是从气密封器件内部取样后进行电离，然后采用四级质谱仪进行质量分离计数，最后给出各种气体的摩尔体积比，对于数据库中没有的气体，采用N2进行归零。在此过程中，取样和数据分析是保证内部残存气氛检测准确性的关键技术。
取样技术直接关系到检测结果的准确度，取样的关键在于穿刺面的选取、穿刺力度和样品的有效固定。对于有平整外表面的气密封器件，将样品某个平整的外表面通过O型密封圈连接到内部气氛分析仪上，再将O型密封圈内部样品表面附近连同整个取样通道均抽成真空，然后用穿刺钢针在该表面扎一个小孔进行取样测试。而对于样品较小或没有可以利用的穿刺平面的器件，需将样品放入一個密封的特制夹具内，夹具有一个孔隙可以通过O型密封圈连接到测试设备的取样台上，将夹具内腔以及整个取样通道都抽成真空状态后，用穿刺钢针在样品外表面扎一个小孔进行取样测试。穿刺力的掌握主要靠经验积累，既要扎穿样品又不能导致样品表面出现大的变形而漏气。
对检测结果进行充分的数据分析，才能有效判断产品批次的内部残存气体的质量状况。仅得到由内部气氛分析仪自动计算出的各种气体的摩尔体积比是没有意义的，对企业单位的指导作用也是有限的，只有对数据进行充分、细致分析，才能有效判断该产品批的质量状况。
3、氦质谱漏率检测方法
元器件密封以后，进行漏率检测，包括细检漏和粗检漏。细漏可以使用放射性同位素，但涉及安全性且配备该种设备的单位较少，所以难以广泛采用.通常细检漏采用氮质谱检漏仪。
密封元器件的氮质谱检漏，又分为在元器件密封后进行氮加压压入氮气的加压法和在密时充入的保护气体中加入一定比例氮气的充入法，密封时充入一定比例的氦气，密封后在规定的最短停顿时间与最长停顿时间之间进行拒收判据R的氦质谱细检漏，再进行粗检漏。这样可提高检测灵敏度，从根本上保证元器件的密封性，有效阻止在筛选、检验试验、贮存和使用过程中水汽的进入。
为了避免检漏中氦吸附漏率的影响，在轻氟油中进行气泡检漏并消除表面吸附的氦。这种方法亦可有效地消除氦吸附漏率。
四、内部残存气氛的控制方法
控制气密封器件内部气氛含量的过程关键是控制器件内部残存气体的产生，这需要多个生产环节的相互配合，并且要求产品内部所使用的材料释气量越少越好。控制方法主要有以下几方面：
1、填充气体，填充气体的质量需要保证。在生产的初始状态或工艺改变时，通过取填充气体的样本检测，可以有效地保证填充气体的质量。
2、清洗，电子元器件管壳、芯片等部件，在使用前需要进行彻底的清洗，并且不留清洗剂。
3、烘培和释气，封装前需要有充分的烘培和释气过程，管壳、芯片和材料等在空气中长期放置吸附了大量的潮气等有害气体，而封装使用的聚合材料的气体释放是个缓慢的过程，高温烘烤是比较有效的方法，烘烤时间的确定可以结合检查数据进行调整，在保证质量的前提下，尽量降低生产成本。
4、封装环境，封装环境需要封闭，烘培和释气后的产品不可在空气中长期放置，充入填充气体后必须在填充气体环境中封装，中途不可有与空气接触的不封闭或半封闭现象。
5、内部残存气氛的置换，在封装过程中，尽量实现电子元器件内部的气氛被填充气体全部置换，采用抽真空、充入填充气体的方法是必要的对于要求严格的产品，可以重复此过程。该过程参数的设置需要通过检查数据进行调整，合理的置换过程能有效降低生产成本并保产品质量。
结语
气氛检测技术是气密封器件内部检测技术的核心，有效的残存气氛检测技术和可靠的数据分析，是开展内部残存气氛控制技术的前提；另外内部残存气氛控制的方法又将会影响到其检测数据的分析结果。只有将内部残存气体检测技术和控制技术相结合，才能获得长寿命、高可靠气密封器件。
参考文献
[1] 陈三廷等.七专密封半导体器件内部水汽含量检测与控制技术研究[R]广州：信息产业部电子第五研究所，199.2.endprint
