第１４卷第３－４期混合微电子技术——望！．塑塑ｊ兰元器件内部气体含量与可靠性研究航天科技集团一院物资部毛振敏李京苑摘要本文探讨了密封元器件内部气体含量超标对元器件质量可靠性的危害性：Ａ、造成元器件内部环境的化学污染，加速对内部金属的腐蚀作用，导致元器件失去应有的功能；Ｂ、引起元器件内部的软焊料和碳膜发生氧化反应，影响元器件的质量和贮存寿命；Ｃ、导致元器件绝缘性能下降或参数超差；Ｄ、低温下引起继电器功能失效等。同时，对密封元器件内部气体台量超标的原因也作了分析，并提出了一些改进措施。关键词元器件可靠性气体含量水汽含量腐蚀失效１前言密封元器件内部气体含量超标是导致元器件批次性失效的原因之一，容易造成元器件性能劣化和多种失效模式，对元器件的性能、贮存寿命和可靠性影咐很大；有些失效模式在筛选试验及早期调试试验过程中就能发现，而有些失效模式在元器件使用或贮存一段时间后才能发现。因此，元器件内部气体表１１９９６—１９９９年３４２７％含量超标对元器件的质量构成严重威胁，在航空、航天等高可靠性工程中越来越重要。１９９６年以来，由于元器件内部气体含量超标而导致元器件批次性失效的案例在我院呈上升趋势，已经给航天型号的研制进度和质量可靠性带来了严重影响。我院发生的元器件批次性失效与气体含量超标有关的情况详见表ｌ。～～—＼时问ＩＸ间失效情况——＼失效总批次数百分比与气体古量超标有关的批次数２０００－－２００１￡５１３３８％２００２年４５８０％合计１２６０２０％由于元器件内部气体含量超标已经给航天型号的质量带来了严重隐患，并严重影响了航天型号的研制进度。因此加强元器件内部气体含量与可靠性技术研究，深入分析元器件内部气体含量超标的原因，并采取切实可行的改进措施，在航天系统把元器件内部气体含量作为其质量考核的重要指标非常必要。按照标ＧＪＢ５４８Ａ一９６等的有关规定，密封元器件内部水汽含量不超过５０００ｐｐｍ；同时对有些密封元器件内部氧含量也作了规定，不超过２０００ｐｐｍ。２元器件内部气体含量超标对可靠性的影响及案例分析密封元器件内部气体含量严重超标，对元器件的危害主要在以下几个方面：Ａ、造成１２５元器件内部环境的化学污染，加速对内都金属的腐蚀作用（主要是键合点腐蚀和金属化铝条腐蚀），导致元器件失去应有的功能；Ｂ、引起元器件内部的软焊料和碳膜发生氧化反应，影响元器件的质量和贮存寿命；Ｃ、导致元器件绝缘性能下降或参数超差；Ｄ、低温下引起继电器功能失效等。２．１导致元器件内部金属腐蚀元器件内部水汽含量严重超标，元器件内部的键合铝丝在水汽气氛下，容易腐蚀，腐蚀部位一般在键合点颈部，因为键合点颈部在键合过程中表面的氧化膜被破坏，在吸附元器件内部的水汽后发生化学反应，生成白色半透明状的氢氧化铝。若元器件内部还有其他腐蚀性气体或强氧化气体（如氧气等），容易造成元器件内部环境的化学污染，在水汽的作用下更容易形成铝腐蚀。铝腐蚀的产生，导致键合界面的接触电阻增大，键合强度严重下降。最终导致键合点脱键，形成开路，元器件功能失效。如果元器件内部的芯片表面钝化层存在缺陷（如划伤、裂纹、针孔等），裸露的金属化铝条在水汽气氛或强氧化气体（如氧气等）作用下，也容易形成铝腐蚀，导致铝条腐蚀开路。元器件功能失效。例如，在某型号陀螺伺服回路板调试时，加电发现线路板无输出，经过电路分析，定位于１支某厂生产的９９０６批运算放大器Ｆ７４ｌ（１６２）无输出。经过对该Ｆ７４１（１６２）进行ＤＰＡ失效分析，其失效机理为运算放大器内部多条内引线的外键合点处产生铝腐蚀，其中输出端的键合点已腐蚀断开，导致运算放大器开路无输出；经过分析判断，失效的原因可能是元器件内部水汽含量严重超标。通过对失效运算放大器Ｆ７４１的同批产品抽样２０只，在信息产业部４所进行内部水汽含量测试，平均值为５９４００ｐｐｍ，远远大于合格判据５０００ｐｐｍ。经过进一步分析，该批运算放大器Ｆ７４ｌ内部还存在腐蚀性介质，内引线的外键合点在内部水汽和腐蚀介质的共同作用下更容易产生腐蚀，腐蚀发展到一定程度引起内引线的外键合点开路，导致元器件功能失效。内引线外键合点腐蚀情况见图１。图１某运算放大器内部外链合点腐蚀形貌该批运算放大器Ｆ７４１内部腐蚀问题，全部发生在内部外键合点上，经过深入分析，与管壳质量异常也有关系。通过举一反三，涉及该批管壳的产品还有其他批次的运算放大器，抽取由同批次管壳生产的Ｆ３１９３、Ｆ３１４０、ＦＯＰ０７各５只检测内部水汽含量，检测结果也远远大于合格值判据５０００ｐｐｍ，详见表２。、＼编号袭２部分运算放大器内部水汽含量检测结果１＃６７０００ｐｐｍ６７９００ｐｐｍ７３６００ｐｐｍ２＃型亨＼Ｆ３１９３Ｆ３１４０Ｆ（）Ｐ０７３＃６８９００ｐｐｍ３２７００ｐｐｍ４００００ｐｐｍ４＃７５１００ｐｐｍ５＃４３０００ｐｐｍ６７６００ｐｐｍ６７９００ｐｐｍ８４０００ｐｐｍ８６１００ｐｐｍ３７１００ｐｐｍ３６１００ｐｐｍ４１０００ｐｐｒｎ开帽内部目检结果如下：Ｆ３１９３开帽１０只，发现５只外键合点有腐蚀；Ｆ３１４０开帽５１２６只，发现２只外键合点有腐蚀；ＦＯＰ０７开帽５只，发现２只外键合点有腐蚀；说明该厂生产的元器件存在严重的批次性质量问题，其根本原因是元器件内部水汽含量严重超标和管壳质量低劣。经过对管壳质量进一步分析，发现管壳的粘污腐蚀介质主要来源于管壳的加工过程中。原来的检验项目是：外观、结构尺寸、潮湿、耐湿、耐热、绝缘电阻、键合强度、可焊性、外引线抗拉弯曲等。管壳清洗后，目前难以对管壳的洁净度进行有效检测，不能确定管壳的洁净程度是否完全满足要求。如果管壳内的氧化物和表面介质去除不净，管壳内存在的粘污腐蚀介质，在内部水汽的作用下，将会造成元器件内部环境的化学污染，引起严重的后果。通过改进清洗工艺，增加冷、热去离子水的冲洗次数，保证管壳的洁净程度完全满足质量要求；并对控制元器件内部水汽含量采取了攻关措施。通过引进先进的封装设备，加强工艺管理，并定期抽检元器件的内部气体含量，以达到ＧＪＢ．５４８Ａ一９６有关密封元器件内部水汽含量不超过５０００ｐｐｍ的规定，取得了良好的效果。由于该厂生产的元器件内部气体含量严重超标，存在严重的批次性质量问题，导致我院已经装机的型号必需更换该厂生产的多批元器件（涉及９个型号。共２２１台设备），给我院型号研制进度带来了严重影响，导致多个型号推迟发射，造成很大的损失。如何保证装机元器件不出现质量问题，尤其是不出现象水汽含量超标那样批次性的质量问题，是我们急需解决的问题。除上述运算放大器因内部水汽含量超标和管壳质量异常造成批次质量问题外，１９９６年以来，一院发生的６０个元器件批次和严重质量问题中，因内部水汽含量超标导致元器件失效的占１２个。例如，某型号弹头试验弹０１批电源变换器用某厂产品３ＤＫ４Ｄ（００．６批）由于内部封人过量水汽造成功能失效（反向击穿特性变差）；某型号０１批电源变换器用某厂产品３１３（３１３０Ａ（００６．１批）由于内部封人过量水汽造成功能失效（三极管ＣＥ特性变差）；某型号电源模块用某厂产品３ＤＫｌ０４Ｅ（００５、０００６批）由于内部封人过量水汽造成电路参数超差（漏电流增大）；某型号０１批惯测组合用某厂产品３ＣＫ３Ｆ（００４批）由于内部水汽和管壳质量问题，导致键合点处铝腐蚀，引起开路而功能失效等等。２．２引起软焊料和碳膜发生化学反应如果元器件内部芯片和其他元件的粘接使用软焊料（如铅锡焊料等），在元器件内部氧含量较多的情况下，软焊料容易被氧化，形成黑色氧化物，导致剪切强度下降，甚至掉片，影响元器件的质量可靠性和贮存寿命。在有些混合集成电路中，经常使用碳膜电阻，如果碳膜电阻的表面钝化层存在缺陷，则裸露的碳膜在水汽或强氧化气体（如氧气等）作用下，也容易发生化学反应，形成腐蚀，导致碳膜电阻阻值增大，甚至开路，元器件功能失效。因此，有些航天用密封元器件，对元器件内部氧含量也作了规定，不超过２０００ｐｐｍ。元器件内部气体含量超标，除导致内部金属腐蚀外，还将导致元器件绝缘性能下降或参数超差。元器件内部含有大量水汽是引起元器件绝缘性能下降的原因之一，水汽本身就有微弱的导电能力，如果元器件内部还含有其他腐蚀性介质，在水汽的作用下更容易引起元器件的绝缘性能下降。元器件内部汽会形成漏电通道，导致元器件的漏电流增大，引起元器件参数超差；元器件内部的有些粘接材料在高温试验过程中会释放有害气体（如二氧化碳等），如果芯片的表面钝化层存在缺陷，由水汽和有害气体（如二氧化碳等）例如，某批次运算放大器在筛选试验过程中，常温初测试验合格，经过高温贮存（１５０℃）、温度循环（一６５℃～１５０℃）、离心加速度等项·１２７·２．３导致元器件绝缘性能下降或参数超差水汽含量超标，吸附在元器件芯片表面的水形成的漏电通道对元器件参数的影响更大。试验后，测试发现该批次运算放大器８０％参数严重超差（主要是失调电流、失调电压等）。对该批次运算放大器进行检漏试验，全部合格，说明不存在漏气问题，经过试验分析后判断，可能是元器件内部气体含量超标所致。在该批次运算放大器中随机抽取５只进行元器件内部气体含量检测，检测结果见表３。一＼翁争气体成夯＼水汽氧气二氧化碳表３某批次运算放大器内部气体古■检测结果１＃５８０００ｐｐｍ３０２００ｐｐｍ２５７００ｐｐｍ２＃４７６００ｐｐｍ２３６００ｐｐｍ２４０００ｐｐｍ３＃５２２００４＃ｐｌｍｌ４１０００ｐｐｍ２１０００ｐｐｍ１８０００ｐｐｍ５＃３３０００ｐｐｍ１６０００ｐｐｍ２２０００ｐｐｍ２５０００ｐｐｍ３００００ｐｐｍ由上表可见，５只元器件的内部水汽含量严重超标，远远大于合格值５０００ｐｐｍ，其他气体禽量也明显偏高，其中二氧化碳的含量远远大于空气中的含量，说明二氧化碳不是封帽时进去的，而是在高温试验（高温贮存、温度循环）过程中，由内部材料释放出来的。综上所述，可以判断该批次运算放大器参数严重超差是由于内部气体含量严重超标造成的。２．４低温下引起继电器功能失效内部气体含量严重超标对继电器也具有危害性，继电器工作过程中，因水汽含量超标，水汽在低温状态下，在继电器触点表面容易结霜，导致触点接触不良而功能失效。有些有机气体则在电弧作用下，会在继电器触点表面聚合沉淀物，形成导电性能极差的固态有机膜，从而造成接触电阻增大或开路，导致继电器功能失效等。３元器件内部气体含量超标的原因及改进措施密封元器件内部气体含量超标是由多种因素造成的，主要是封装设备、封装温度、封装保护气体的纯度及湿度、封装材料、内部压力和元器件密封性不好等原因。元器件密封性不好，即存在漏气问题是导致元器件内部气体含量超标的原因之一，但由于元器件在使用之前所进行的筛选和验收试验中，细检漏和粗检漏试验进行了多次，因此，元器件漏气问题很少，不会引起批次性元器件内部气·１２８·体含量超标问题。再一个原因是元器件装配和使用过程中，受到外力影响而漏气．这是元器件用户需要注意的问题。下面重点介绍元器件密封性合格（即符合ＧＪＢ５４８Ａ一９６、ＧＪＢｌ２８Ａ～９７等的有关密封性规定），而内部气体含量超标的可能原因及改进措施。３１封装设备问题有些研制单位的封装设备比较陈旧，本身的密封性能不好或内部的压力不够，外界气体能够进入封装设备内部，导致封装环境不纯净，达不到微电子器件的封装要求。因此，定期检查、维护封装设备非常重要，如果封装设备比较老化，已经达不到现代微电子器件的封装要求，及时更换新的封装设备非常必要。另外，封装保护气体（如氮气）的纯度也很重要，应尽量提高保护气体的纯度，降低保护气体的湿度等。封装材料是导致元器件内部气体含量超标的原因之一，有些封装材料化学性质不稳体（如二氧化碳等），导致元器件内部气体含量超标。例如，有些管壳内不清洁，存在粘污腐蚀介质；有些微电子芯片上的残留物或粘贴材料有挥发性；这些腐蚀介质或挥发物在清洗、烘烤封装材料非常重要；如果封装材料３．２封装材料问题定，在高温环境下容易释放出水汽和其它气水汽的作用下容易生成酸性物质，严重威胁元器件的可靠性。因此，选用合适的封装材料（如管壳、粘片、粘接材料等），并严格检查、化学性质不稳定或清洗不干净，在热应力的作用下，有些封装材料就会在元器件内部形成化学污染，加速元器件内部的金属腐蚀。３．３封装前的工艺处理问题元器件的管芯和管壳在封装前的工艺处理很重要，如果元器件封装前的清洗不充分或烘烤不充分（烘烤时间较短或温度较低），封装材料吸附的水汽和其他易挥发物就留在元器件腔体内，这些残留的水汽和易挥发物在高温试验（高温贮存、温度循环）过程中，就会释放出来。留在元器件腔体内，导致元器件内部气体含量超标。另外，还应避免烘烤后的管芯和管壳重新接触室内的大气环境，否则仍会导致元器件内部气体含量超标。因此。加强元器件封装前的工艺处理很重要。３．４监控技术措施航天一院为了解决元器件内部气体含量超标问题，采取了一系列技术措施，加大了元器件内部气体含量的监控力度。例如，要求元器件研制单位在编写“企业军标详细规范”时．将元器件内部气体含量检测纳入鉴定检验和质量一致性检验中；在元器件验收试验中，将元器件内部气体含量检测做为必需考核的项目之一等。在确保元器件质量的前提下。制定了元器件内部气体含量检测的具体组合实施方案：Ａ、相同封装设备、相同封装工艺和材料生产的同类元器件；Ｂ、封装前的清洗、烘烤技术条件相同；Ｃ、封装环境（温度、湿度）及封装月份相同；Ｄ、管壳型号及批次相同。在满足上述条件下，可以用一个品种的元器件内部气体含量检测结果代替多种元器件的内部气体含量检测结果，既节约了成本，又提高了效率。４结论综上所述。元器件内部气体含量超标已经成为引起元器件批次性质量问题的主要原因之一。通过举一反三，不断分析研究元器件内部气体含量超标对质量可靠性的危害性，引起了有关部门和元器件研制单位的高度认识。并下决心彻底解决元器件内部气体含量超标问题。作为使用元器件的航天型号用户，更应该将元器件内部气体禽量检测纳入元器件考核的重要指标。并加以控制，以确保航天型号用元器件的质量可靠性。近来，由于航天一院质量部门采取了一系列技术措施，加大了元器件内部气体含量的监控力度，通过元器件研制单位的不断努力，密封元器件内部气体含量超标的现象，得到了有效控制，元器件因内部气体含量超标而引起失效的案例明显减少；航天型号用元器件的质量水平有了很大提高，为航天型号的发射成功作出了重要贡献。参考文献［１］国家军用标准ＧＪＢ５９７Ａ一９６（半导体集成电路总规范）［２］国家军用标准ＧＪＢ２４３８—９５（混合集成电路总规范）［３］国家军用标准ＧＪＢ３３Ａ－９７（半导体分立器件总规范）【４］国家军用标准ＧＩＢ５４８Ａ一９６（徽电子器件试验方法和程序）［５］国家军用标准ＧＪＢｌ２８Ａ一９７（半导体分立器件试验方法）·１２９·元器件内部气体含量与可靠性研究
作者：作者单位：
毛振敏， 李京苑
航天科技集团一院物资部
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