光電耦合器內部氣氛長期貯存變化的研究*

周 帥，鄭大勇，歐 熠，陳海鑫

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2.中國電子科技集團公司第四十四研究所，重慶400065）

光電耦合器內部氣氛長期貯存變化的研究*

周 帥1*，鄭大勇1，歐 熠2，陳海鑫1

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州510610；2.中國電子科技集團公司第四十四研究所，重慶400065）

根據氣密封裝器件的內部氣體流動原理，對光電耦合器內部氣氛含量的初始狀態進行了分析，對長期貯存的變化狀態進行了預測，隨后采用內部氣氛分析儀驗證預測結果，證明了氣體流量原理能夠有效預測光電耦合器封裝內部的氣氛含量，并且能夠將封裝工藝的薄弱環節暴露在檢測初始階段。通過分析測量漏率與真實漏率之間的關系，對提高預測光電耦合器內部氣氛含量長期貯存變化的準確性提出了建議。

光電耦合器；長期貯存；氣體流動原理；內部氣氛變化

氣密性封裝光電耦合器（以下簡稱光電耦合器）的可靠性與封裝內部殘余氣氛含量有著密切的關系，長期貯存環境中的溫度及濕度對其內部氣氛變化都會產生直接的影響，水汽的侵入將導致集電極暗電流ICEO［1-2］增大等性能參數退化。目前國內外普遍采用美國IVA-210s內部氣氛分析儀對氣密封器件封裝內部殘余氣氛含量進行測試［3］，此測試屬于破壞性的事后分析，在此基礎上再采取工藝控制的補救措施，然而這種方式不僅不能有效控制光電耦合器內部氣氛含量，對內部氣氛含量變化狀態也無從得知，更是給整機的可靠性帶來潛在的危害，本文運用氣密封裝器件的內部氣體流動原理將事后分析改為事前預測，把封裝工藝的薄弱環節暴露在事前階段，為評價封裝內部氣氛可靠性提供了依據。

1 氣密封裝光電耦合器內部氣體流動分析

氣體流量是指氣體流動過程中，單位時間內通過任一截面的氣體量。一般情況下，由于漏道和氣氛流導相同，所以氣氛流入與流出的物理過程相似，但如果氣氛泄漏存在高分壓與低分壓壓差，那么氣氛流入和流出的物理過程將存在差別。當某種氣氛從封裝中泄漏出來時，該氣氛進入的是一個恒定的氣態環境，如當氦氣從封裝漏道泄漏到空氣里，并不會改變空氣氦氣的濃度；但當某種氣氛漏入到封裝中時，該氣體分壓壓力較低的一側將會發生改變。因此氣氛只有在封裝外分壓大于封裝內分壓的狀態下，才會漏入到封裝內部。當氣氛進入封裝時，該氣氛在封裝的分壓會持續增加，直到封裝內外的分壓相同。然而每種氣氛的分壓和分子量均不相同，所以不同的氣氛會以不同速率通過相同的漏率通道。氣體流動的基本關系如式（1）［4］：

式中，Q為單位時間內氣體流過的量，氣體的量稱為流量，用容積×壓力來表示；P1為高壓側的壓力；P2為低壓側的壓力；F為漏氣通道的氣體流導，單位為體積/秒。

氣體通過漏道的流導受分子流制約［4］如式（2）：

式中，P1為高壓側的分壓；P2為低壓側的分壓；Fm為漏道的分子流導；R為每秒的流量；T為絕對溫度，單位為K；M為泄漏氣體的摩爾質量。

不考慮具體氣體及其溫度，式（2）變成

從封裝密封時刻（t0）開始到之后的某個時刻（t），進入封裝氣體的數量為漏氣率在這段時間內的積分。進入氣體數量用Qin表示，Qin的表達式如下：

上式也等于

式中，P0為泄漏氣體等于1 atm時的分壓；PR為泄漏氣體不是1 atm時的分壓。

將ΔPt代入式（4）：

使用真實漏率，

式中，P0=1，積分后可得：

式中，Qin為氣體流量，即漏入氣體的體積×壓力。為了得到壓力表示的氣體數量，將上式除以封裝的固定體積得到式（7）［5］：

式中，QinP為在時間t內進入到封裝里的氣體數量，單位為atm；ΔPi為初始分壓力之差，單位為atm；L為真實漏率，單位（atm·cm3）/s；t為氣體漏入封裝里的時間，單位為s；V為封裝的體積，單位為cm3。

對式（7）兩邊取對數，得到式（8）［5］和式（9）［5］。因此在已知微電子器件封裝的真實漏率和初始分壓、封裝內部容積時，就能推算出給定時間內漏入給定封裝的氣體數量以及給定數量的氣體漏入到封裝內所需的時間。

2 氣密封光電耦合器封裝內部氣氛來源分析

氣體流量公式的應用必須結合內部氣氛來源分析。由于在檢測過程中，生產研制單位最為關注封裝內部水汽含量的變化，因此以水汽為例進行封裝內部氣氛來源分析。一般而言，封裝內部水汽含量主要有3個來源：（1）封裝外部的水汽漏入到封裝內部；（2）從封裝內壁、內部材料或者元器件釋放出的水汽；（3）封裝內的氧氣和氫氣發生反應生成水。

2.1 水汽從外部環境中漏入密封封裝

封裝內部的水汽分壓一般來源于封裝內材料的釋放或者產品密封時密封箱中的水汽，而封裝外的水汽分壓與環境的相對溫度（R.H.）有直接的關系。圖1和表1是基于《CRC化學和物理手冊》［6］的數據。圖1顯示了當相對濕度為100%時空氣中的水汽分壓和溫度的關系。表1顯示了在一些特定的溫度和相對濕度下空氣中的水汽分壓。

圖1 100%相對濕度時空氣中的水汽分壓與溫度的函數關系

表1 在特定溫度和相對濕度下空氣中的水汽分壓 單位：atm

2.2 封裝內釋放的水汽

光電耦合器封裝內部在真實環境中不可能完全不產生水汽，即使是完全密封的腔室內也會有一定的水汽，通常為≤100×10-6。釋放的水汽主要來源于吸附在材料表面的水汽和分布在材料內部的水汽。

封裝內部的材料會釋放一定量的水汽，釋放水汽的量主要取決于材料的種類、制備工藝和密封前的預處理情況。大部分的水汽釋放過程發生在老煉試驗和高溫工作過程。在給定的溫度下，可釋放的水汽含量逐漸減少。隨著水汽的釋放，封裝內的水汽壓力在逐漸增加，從而降低了水汽釋放的速度，因此釋放出的水汽含量與時間成對數關系。當包含了初始水汽量和釋放的水汽量時，168 h老煉試驗后封裝內的水汽含量隨著時間變化的典型曲線［5］，如圖2所示。

圖2 不同尺寸封裝水汽壓力與時間的函數關系

因此當封裝內部初始水汽存在，那么總的水汽含量：

式中，QH2O(total)為封裝內總的水汽含量；QH2O(initial)為封裝內的初始水汽含量；QH2O為漏入封裝內的水汽含量。

結合式（7），得出：

2.3 封裝內化學反應產生的水汽

封裝內的水汽產生的化學反應式如下所示，理論上存在氫氣和氧氣直接發生反應的可能性。封裝內部釋放氫氣，使氧化物還原，氫氣和氧氣發生反應生成水。

這個反應在常溫和常壓下非常慢，所以多年也不能形成可檢測到的水汽量。然而，合適的催化劑將導致這個化學反應發生。

3 光電耦合器封裝內部氣氛變化預測

下面以被測光電耦合器封裝密封性初始狀態為基礎，針對目前主流封裝環境，用實例驗證氣體流量公式用于預測內部氣氛含量變化的有效性，同時結合RGA（殘余氣氛分析）分析封裝內部氣氛來源。

3.1 預充10%氦氣封裝環境的光電耦合器內部氣氛變化

對某研制單位生產線上隨機抽取同批次3只光電耦合器進行內部氣氛預測，每只器件的封裝容積為0.5 cm3，在10%氦氣和90%氮氣的環境下封裝。封裝完后，馬上測量到的漏率為1.0×10-10atm·cm3、1.2×10-10atm·cm3、1.0×10-10atm·cm3。預測放在溫度25℃，相對濕度50%的環境中，進入到封裝內部的水汽需要多長時間達到5 000×10-6。

計算預測如下：

根據測量漏率和真實漏率之間的關系可得

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由于不同氣體分子的質量和大小各不相同，所以不同的氣氛通過同一個封裝漏道的漏率也不一樣。由《不同氣體的漏率轉換表》［5］可知LH2O與LHe漏率的轉換系數為0.471，所以

查表1可知，25℃、50%相對濕度水氣壓=0.015 6 atm，根據式（8）計算可知：

同理其余兩只樣品t依次為3 956 d、4 748 d。

3.2 預充99.9%氮氣封裝環境的光電耦合器內部氣氛變化

采用與上述封裝體積相同，封裝環境（99.9%氮氣環境下封裝）不同的3只光電耦合器進行內部氣氛含量預測。首先按GJB548方法1014細檢漏試驗條件5 atm，加壓4 h。測得漏率為1.9×10-13atm·cm3、2.0×10-13atm·cm3、1.9×10-13atm·cm3。預測放在溫度25℃，相對濕度50%的環境中，進入到封裝內部的水汽需要多長時間達到5 000×10-6。

假設 LHe=1×10-9；計算可知 R=1.43×10-13；假設 LHe=1×10-8；計算可知 R=1.44×10-11；將R繪出相對于 LHe的點為一條直線，該直線顯示R=1.9×10-13atm·cm3時，LHe≈1×10-9～2×10-9，利用線性插值法：1.1×10-9×5×(1-e-28800×1.1×10-9)≈1.9×10-13atm·cm3，由此可知 LH2O=0.471LHe= 0.471×1.1×10-9=5.18×10-10atm·cm3，通過式（8）可知t=4 061天，同理其余兩只樣品t依次為3 957 d、4 061 d。

3.3 光電耦合器內部氣氛變化測試驗證

對上述兩種封裝環境的被測樣品，放在溫度25℃，相對濕度50%的環境中365 d后，進行RGA測試，驗證器件封裝內部氣氛變化。

表2 內部氣氛貯存預測及RGA實際測試結果比對

從RGA測試結果可知，器件內部氣氛在經過1 y的時間，由式（10）可知封裝內部氣氛總含量除了外界的漏入，還包括自身內部材料也釋放了少量的水汽，所以實際氣氛含量比預測內部氣氛含量較高。

4 光電耦合器內部氣氛含量長期貯存的變化分析

通過上述理論分析和實例驗證，并結合工信部電子五所開展的（1996—2010）年光電耦合器自然暴露貯存14 y的退化試驗數據［7］，間接的證明了運用封裝內部氣體流動原理結合氦質譜細檢漏試驗以及RGA測試，對定量預測研究光電耦合器內部氣氛含量在使用環境中隨時間變化情況的有效性（貯存壽命長達13 y左右），有利于進一步明確器件封裝內部氣氛的來源是封裝內部釋放還是封裝外部漏入，為評價光電耦合器封裝可靠性提供了數據支撐。

同時在多次試驗中，還發現對于預測光電耦合器內部氣氛含量貯存變化的關鍵是測量氦氣漏率R值的準確性，因為測量漏率R值將直接影響到產品的真實漏率L值，這是對于預測器件內部氣氛含量是否滿足某些“長期貯存、一次使用”應用要求的關鍵條件。但大多數國產的氦質譜檢漏受動態真空模式、檢測罐及靈敏度等技術限制，實際最小可檢漏率一般為1.0×10-10atm·cm3，這對研究器件封裝內部氣氛變化含量是遠遠不夠的，容易造成誤差，測試結果與器件實際貯存時間不相符。目前只有國外德國英福康公司生產的Pernicka-700H累積式四級質譜檢漏儀滿足測試小漏率微電子器件氣密性的要求，達到4.0×10-14atm·cm3的最小可檢漏率，所以建議使用該設備作為微電子器件長期貯存封裝內部氣氛變化的研究，從而提高微電子器件的封裝可靠性。

5 結束語

氣密封光電耦合器的封裝可靠性，除了RGA數據作為評價依據外，還應結合測量漏率及使用環境，對器件封裝內部氣氛變化情況進行全面分析，明確器件內部氣氛的來源，從而獲得產品的準確信息，提前暴露封裝可靠性的缺陷，從而采取針對性高效率的解決措施［8-9］，在封裝早期就獲得高可靠性的氣密封光電耦合器，滿足長期貯存的要求。

［1］何民才，黃啟俊.關于間接耦合光電探測器的存疑點剖析［J］.傳感技術學報，1998，11（1）：46-54.

［2］吳海峰，翟憲振，羅向東.GaN基APD日盲紫外探測器讀出電路設計［J］.電子器件，2013，36（5）：656-661.

［3］胡琳，李應輝，張怡，等.光電耦合器內部水汽含量控制［J］.半導體光電，2005（3）：202-204.

［4］肖祥正，劉玉魁，談治信，等.真空設計手冊［M］.國防工業出版社出版，2004：98-103.

［5］Greenhouse H.Hermeticity of Electronic Packages［M］.Elsevier（Singapore）Pte Ltd.，2000：96-98，107.

［6］David R L.Handbook of Chemistry and Physics［M］.The Chemi?cal Rubber Company，2002：15-23.

［7］楊少華，李坤蘭.光電耦合器的長期貯存退化特性分析［J］.電子產品可靠性與環境試驗，2013（1）：27-30.

［8］談侃侃，楊世福，李茂松，等.混合微電路內部水汽含量控制技術［J］.微電子學，2014（4）：546-549，554.

［9］王林，趙宇軍，黃先奎，等.集成電路內部水汽含量的控制［J］.微電子學，2003（2）：121-123.

周 帥（1984-），男，漢族，貴州都勻人，工業和信息化部電子第五研究所，碩士，工程師，現從事電子元器件檢測與可靠性工作，zs5h@163.com。

Research on the Change of Internal Long-Term Storage Atmosphere for Photoelectric Coupler*

ZHOU Shuai1*，ZHENG Dayong1，OU Yi2，CHEN Haixin1
（1.China Electronic Product Relibility and Environmental Testing Research Institute，Guangzhou 510610，China；2.The forty-fourth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation，Chongqing 400065，China）

According to the internal gas flow principle of hermetic sealing device，the author first analyzed the ini?tial state of the internal atmosphere content of photoelectric coupler and predicated the change status of long-term storage.Then，the prediction results verified through the internal atmosphere analyzer，proved that the gas flow theo?ry could effectively predict the internal atmosphere content sealed in the photoelectric coupler and expose the weak links of encapsulation process in the initial stage of detection.Besides，analyzed the relationship between the mea?suring leakage rate and the actual leak rate，suggestions were proposed for prediction accuracy of internal atmo?sphere long-term storage change in the photoelectric coupler.

photoelectric coupler；long-term storage；gas flow principle；internal atmosphere change

TN307

A

1005-9490（2016）06-1292-05

4250

10.3969/j.issn.1005-9490.2016.06.003

項目來源：廣東省自然科學基金項目（2015A030310331，2015A030306002）

2015-12-28 修改日期：2016-01-31