厚膜HIC金屬封裝腔內水汽的影響及控制

謝康+洪明+李丙旺

摘 要：在電子器件的生產過程中，水汽對于器件的可靠性影響一直是相關設計、生產非常關注的問題，本文就電子器件封裝腔內水汽的主要來源進行了分析，并對加強厚膜HIC金屬封裝腔的相關工藝提出了相應的控制方法。

關鍵詞：厚膜混合集成電路；腔內水汽含量；控制

0 引言

根據國家對電子元器件的生產提出的相關規定，HIC金屬封裝腔內的水氣含量達到100℃時不高于5000ppm的水平，才能滿足相關企業生產國軍標產品的要求。因此，在日常生產中，從加強產品質量、提升企業生產水平的角度出發，應充分了解厚膜HIC金屬封裝腔內水汽器件可靠性的影響，并對電子器件封裝腔內水汽的主要來源進行研究，以此加強對相關工藝和操作方法的控制，使器件生產達到更好的金屬封腔水汽含量控制水平。

1 厚膜HIC金屬封裝腔內水汽含量偏高常見的問題分析

對于航天使用的器件而言，厚膜HIC金屬封裝腔內水汽含量偏高會直接導致器件的可靠性降低、使用壽命縮短。由于厚膜HIC金屬封裝腔內水汽含量的控制不當，常會帶來以下的問題。

（1）芯片電性能劣化

水分子因帶有正、負離子而表現出導電性，當厚膜HIC金屬封裝腔內的水汽含量過高，則會使器件芯片吸附水分子在其表面形成具有導電性能的水膜，在電壓的作用下，離子的導電性會增加通過芯片的電流，使芯片的電性能發生改變，劣化其電性能。

（2）腐蝕鍵合點和焊盤，使電路開路失效

厚膜HIC金屬封裝腔的內部結構中，存在比較豐富的鍵合金絲、鍵合點，以及焊盤等，這些小部件比較脆弱，極易受到潮濕環境的腐蝕。當厚膜HIC金屬封裝腔內的水汽得不到控制形成其內部的潮濕環境時，就會對鍵合點、焊盤、鍵合金絲產生影響，進而增加這些部件相互之間的互邊電阻。腐蝕情況較輕時，會讓其中的電參數性能發生微小的變化。

（3）金屬遷移

所謂的金屬遷移就是在厚膜HIC金屬封裝腔內的鍵合焊盤處由一個金屬離子從陽極區遷移至陰極區的電解過程，出現金屬枝晶生長現象。當厚膜HIC金屬封裝腔內的水汽含量上升到15000～150000ppm時，將會導致金屬離子的遷移，從面使橋連區出現更多的泄露電流，一旦形成橋連，就會發生短路問題。

2 厚膜HIC金屬封裝腔內水汽的來源分析

為了達到控制內部水汽含量≤5000ppm這個工藝要求，必須了解HIC金屬封裝內部水汽含量的來源和形成，這是分析和解決內部水汽含量問題的關鍵因素。我們通過對封焊水汽含量合格與不合格電路的比較和分析，發現電路氣密性不好、平行封焊前充氮氣時間較短（一般為幾小時）以及對電路烘焙的溫度和時間不合適是造成其水汽含量超標的主要原因。

通過近幾年來的工藝研究工作，我們找到了影響HIC金屬封裝內部水汽含量的主要原因，其主要影響因素如下：

（1）進行厚膜HIC金屬封裝時，其周圍的工藝氣氛中所含的水汽；

（2）封裝腔內的各種材料如金屬蓋板、芯片表面、基片、內部引線等本身吸附或溶解的水分，由于封裝于厚膜HIC金屬封裝腔的過程中，在高溫密封的環境內將吸附的水分析出形成水汽；

（3）由于厚膜HIC金屬封裝腔的密封性出現問題，導致漏氣現象的出現，水汽隨著漏孔滲入金屬封裝腔內。

3 控制厚膜HIC金屬封裝腔內水汽含量的相關工藝措施

在HIC金屬封裝工藝中的封裝材料及前面的工序可能引起的封裝后水汽含量的變化已有研究，在這就不一一闡述。主要闡述封裝前、封裝過程中、封裝后的相關措施。

（1）提高平行縫焊機封裝腔和烘烤箱的潔凈度

厚膜HIC金屬封裝腔的氣密性受封裝環境的影響較大，如果封裝環境得不到保障，那么很難實現HIC金屬封裝腔水汽含量的有效控制。目前，進行HIC金屬封裝腔的具體操作的相關器械為SSEC 2300平行縫焊機，其封裝腔和干燥箱均采用的是精密的不銹鋼結構，但如果潔凈度不夠，就會造成對HIC金屬封裝腔水汽控制的失效。因此，在使用相關器械時，應用Y09-9型激光料子計數器對其進行測試，保證操箱和干燥箱的潔凈度達到1000級，這樣才能滿足工藝的要求，保證生產質量。

（2）保障半成品的貯存環境滿足生產要求

器件進行厚膜HIC金屬封裝腔的封裝前，相關的半成品會進行一段時間的貯存，而在這個貯存過程中，由于貯存環境不合格，會造成待用的半成品器件吸附水分，從而導致在封裝時帶入過多的水汽。這就需要將已檢測合格和已清洗烘干的半成品置于含有99.99%的N2且潔凈度滿足1000級的貯存環境中，才能有效控制水汽隨半成品進入HIC金屬封裝腔內。

（3）對封裝腔進行內部環境的干燥

在進行厚膜HIC金屬封裝腔的封裝操作時，由于生產并不是在連續的操作情況下完成的，因此不能保證封裝腔在封裝前一直處于N2的環境中，因此需要在封裝前對封裝腔進行排氣處理，將封裝腔內的空氣排空。這一過程一般通過在99.99%N2的條件下加熱4h以上，使操作箱內的濕度小于200ppm，氣壓大于1.2個大氣壓時再進行封裝操作完成。

（4）封裝前對半成品進行充分烘烤

為保證封裝前半成品吸附水分的問題得到徹底解決，即使是妥善保存于N2環境中的半成品在進行封裝前依然需要在SSEC M2300平行縫焊機的烘箱內進行充分烘烤，使芯片等部件的吸附的水汽完成被排除。一般情況下，將部件置于真空度為小于9×10-3托，溫度在145℃且溫度浮度在5℃以內的環境中烘烤3h以上即可。

（5）提升氣密性要求

厚膜HIC金屬封裝腔的氣密性直接決定了相關器件的質量，對于封裝后的器件應嚴格執行GJB548A方法1014A中關于He的氣密性要求，從而有效控制封裝腔的漏氣而導致的水汽含量增加的問題出現。

4 試驗及檢測結果分析

通過以上工藝控制后，我們進行了HIC金屬封裝工藝驗證實驗，其檢測結果：封裝的產品，一次性封裝檢漏合格，內部N2含量較高，內部水汽含量檢測≤1000ppm。另外，1只樣品漏氣，即便采取補封措施檢漏合格，其內部水汽含量仍然嚴重超標。所以，我們即使使用性能好，操作箱密封好的進口設備，也要求提高封裝工藝水平，加強質量意識，盡量一次性封裝檢漏合格，才能達到內部水汽含量檢測的要求。

5 結語

對于氣密性要求較高的器件來說，厚膜HIC金屬封裝的質量控制關系著電子產品的整體質量，決定了器件的壽命。從工藝上提高對其封裝腔內水汽的有效控制，是提高電子產品質量的關鍵。相關問題的解決對于提高電子產品系統的可靠性具有非常重要的意義。