多芯片微波組件的一種控氫方法研究

楊程 胡駿 金家富 邱穎霞

摘 要 砷化鎵類半導體器件因其良好的性能在多芯片微波組件中應用廣泛。密封組件內部氣氛中的氫氣對砷化鎵類微波器件影響很大。文章通過對吸氫材料應用進行試驗，驗證了吸氫劑具有控氫成本低、效果優良等優點，其可以作為多芯片微波組件的一種有效控氫方法。

關鍵詞 多芯片微波組件；吸氫劑；控氫

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）226-0117-02

1概述

砷化鎵類半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點，在多芯片微波組件中應用廣泛。由于氫氣作為管殼加工過程中的一種重要氣氛，氫氣容易成為密封組件內腔的殘余氣體。密封組件內部氣氛中的氫氣對砷化鎵類微波器件影響很大[ 1 ]。

近年來國內研究氫氣對GaAs類器件性能影響的文章越來越多，主要關注點都在器件密封前對封裝材料進行排氣處理，以控制封裝組件內部氫氣氣氛[1-3]，但對多芯片微波組件內部使用吸氫劑控制封裝組件內部氫氣氛圍的研究卻很少。

本文通過對吸氫材料的極限吸氫能力和組件級吸氫效果進行試驗驗證，研究多芯片微波組件內使用吸氫材料的可行性。

2 吸氫材料應用驗證

2.1 吸氫材料吸氫機理

吸氫劑是一種能有效吸附氫氣的制劑，用來獲得、維持真空以及純化氣體等。根據獲得清潔（活性）表面的不同方式，吸氫劑按主體材料可分為三大類：金屬氧化物、聚合物和金屬基合金。

本文選用的吸氫劑材料為鈦基合金，屬于金屬基非蒸散吸氫材料的一種，非蒸散型吸氫劑無金屬蒸散，因此廣泛應用在高真空器件中。吸氫劑吸氫過程有兩個主要步驟[ 4 ]，示意圖如圖1所示。

第一步是表面吸附，即氫與吸氫材料接觸時，能在其表面通過解離分解為氫原子然后吸附在吸氫材料表面。

第二步是體內擴散，即解離后的氫原子擴散進入金屬內部與金屬反應形成氫化物，此時氫就以氫原子態進入吸氫劑材料晶格內形成固溶體。氫與鈦基合金吸氫材料形成固溶體后，需要在特定的條件（溫度）下氫才會從吸氫材料內部釋放出來。當吸氫材料溫度超過450℃時[ 5 ]，吸氫材料體內的氫才開始釋放出來。由于本產品組件設計工作溫度較低約為45℃，因此吸氫劑在多芯片微波組件內部表現為單向吸氫。

2.2 吸氫材料工藝匹配性

多芯片微波組件外殼由盒體和蓋板組成，其中盒體內已集成裝配各種基板和元器件，在盒體內壁進行吸氫材料安裝的操作可達性差并且極易損傷到內部元器件，因此選擇在蓋板內側進行吸氫劑的安裝。

鈦基合金吸氫劑具備良好的導熱、導電和延展特性，其具有類似于鈦合金的物理特性，是一種組織結構穩定的金屬材料，熔焊性能優良，吸氫劑厚度較薄可以直接焊接在蓋板上，無需外加活化處理和額外加工等工藝過程，與多芯片微波組件組裝工藝適配性良好。完成裝配后未發現吸氫材料存在分解、粉化脫落的現象，吸氫劑安裝安全可靠。

2.3 吸氫材料吸氫能力驗證

2.3.1 吸氫材料極限吸氫能力驗證

按《吸氣劑氣體吸放性能測試方案》（GB/T 25497-2010）進行吸氣量測試，采用定容法，即利用在恒溫下測量一定時間間隔中，某已知容積的容器內的壓強變化量據此計算出吸氫材料的吸氣量。

吸氫劑的吸氫速率和吸氫極限總量如表1所示。

通過吸氣劑氣體吸放性能試驗驗證了吸氫劑可以吸氫12ml，吸氫劑極限吸氫總量遠大于多芯片微波組件內部釋氫總含量。

圖2為吸氫劑吸氫前與吸氫飽和后的對比圖，吸氫劑吸氫飽和后無粉化和微裂紋，并且沒有產生多余物，吸氫材料表面也未發現異常點，因此該型吸氫劑能夠滿足多芯片微波組件對于吸氫材料可靠性的要求。

2.3.2 吸氫劑組件級吸氫效果驗證

選取2只氫含量大于6 000ppm多芯片微波組件，在蓋板上安裝吸氫劑，密封后按多芯片微波組件詳細規范進行篩選考核，考核后進行內部氣氛檢測和吸氫劑的剪切強度測試，測試結果如表2所示。

試驗結果表明，加裝吸氫劑的多芯片微波組件篩選試驗后內部氫含量均低于1 000ppm，吸氫劑吸氫效果明顯；吸氫劑剪切強度滿足GJB548方法2019.2的要求，吸氫材料安裝工藝可靠。

3 結論

通過試驗驗證吸氫劑裝配工藝與組件返修工藝協調性相匹配，安裝工藝可靠，加裝吸氫劑后的多芯片微波組件內部氫含量可控制在較低水平。因此吸氫劑鑒于其控氫成本低、效果優良可以作為多芯片微波組件的一種有效控氫方法。

參考文獻

[1]劉文寶，陳文卿.H2對航天用GaAs器件可靠性的影響[J].質量與可靠性，2010（5）：30-33.

[2]吳文章，白樺，劉燕芳，等.密封元器件中氫氣的產生及控制[J].電子與封裝，2009，9（8）：34-37.

[3]丁榮崢，李秀林，明雪飛，等.封裝腔體內氫氣含量控制[J].電子產品可靠性與環境試驗，2012，30（2）：1-5.

[4] Martin M， Gommel C， Borkhart C， et al. Absorption and Desorption Kinetics of Hydrogen Storage Alloys[J].Journal of Alloys and Compounds，1996， 238： 193-201.

[5]郭青苗，章芳芳，侯紅亮，等.多孔TC4鈦合金的吸氫熱力學特性的研究[J].航空材料學報，2010，30（2）：24-29.