摘 要：為了使我所微電路封裝產(chǎn)品能廣泛滿(mǎn)足航空、航天及其他特殊領(lǐng)域?qū)?nèi)部水汽含量的要求(≤5000ppm)，提出了降低金屬或陶瓷結(jié)構(gòu)封裝的微電路封裝產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量的控制方法和工藝要求。

關(guān)鍵詞：微電路封裝產(chǎn)品；水汽含量；ppm

中圖分類(lèi)號(hào)：TN305．94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

微電路封裝產(chǎn)品的可靠性提高，是整機(jī)產(chǎn)品終質(zhì)量保證堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。微電路封裝產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量的技術(shù)研究在國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了20多年，而我國(guó)內(nèi)部水汽含量的工藝技術(shù)研究工作是近幾年才開(kāi)展的。隨著航空、航天及其他特殊領(lǐng)域?qū)ξ㈦娐贩庋b產(chǎn)品的可靠性要求越來(lái)越高，加強(qiáng)微電路封裝產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量的控制和工藝要求是解決問(wèn)題的必不可少的方法。二十四研究所為了提高微電路封裝產(chǎn)品的可靠性質(zhì)量，積極開(kāi)展了內(nèi)部水汽含量的技術(shù)研究工作。

2 影響內(nèi)部水汽含量的主要因素

為了達(dá)到內(nèi)部水汽含量控制≤5000ppm這個(gè)目標(biāo)，必須充分認(rèn)識(shí)金屬或陶瓷外殼結(jié)構(gòu)的微電路封裝產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量的現(xiàn)狀和規(guī)則，這是分析和解決內(nèi)部水汽含量問(wèn)題的關(guān)鍵條件。

通過(guò)近2年來(lái)的研究工作，我們找到了影響微電路封裝產(chǎn)品內(nèi)部水汽的主要原因和解決問(wèn)題的控制方法，其主要原因如下：

2．1 操作箱密封性問(wèn)題

封帽設(shè)備的操作箱沒(méi)有完全密閉，密封性差，而且操作箱體積較大，濕度難控制。盡管封帽前器件進(jìn)行了高溫烘焙，操作箱內(nèi)充高純N2，高純N2本身的濕度控制有波動(dòng)，焊接時(shí)操作箱的相對(duì)濕度只能控制在5％左右，所以封裝后，結(jié)果并不理想。

2．2 烘焙溫度、烘焙時(shí)間問(wèn)題

在我所現(xiàn)有的工藝條件下，封帽前微電路封裝產(chǎn)品的烘焙溫度、烘焙時(shí)間不確定，這二者對(duì)內(nèi)部水汽含量的影響較大，而優(yōu)化確定工藝條件，是建立在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上的。

2．3 封裝的氣密性問(wèn)題

微電路封裝產(chǎn)品的氣密性要求高，稍有微漏，常常造成內(nèi)部水汽含量超標(biāo)。而微電路封裝由于設(shè)備性能、管殼質(zhì)量、工藝技術(shù)平臺(tái)等特殊原因，產(chǎn)品的氣密性保證是封裝過(guò)程的一個(gè)難關(guān)。

2．4 貼裝的空洞問(wèn)題

微電路封裝產(chǎn)品貼裝之后，X射線照相發(fā)現(xiàn)空洞現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)高、低溫老煉，加劇空洞破裂放出內(nèi)部氣氛，造成內(nèi)部水汽含量超標(biāo)。

2．5 管殼質(zhì)量問(wèn)題

部分產(chǎn)品的金屬或陶瓷管殼質(zhì)量較差，例如：陶瓷管殼關(guān)鍵貼片部位比較粗糙，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；金屬管殼玻璃絕緣子引線，經(jīng)過(guò)高溫老練，玻璃絕緣子有裂紋現(xiàn)象，這些影響了水汽含量的控制，也降低了成品率。
2．6 芯片貼裝用膠的問(wèn)題

芯片貼裝用的膠，是釋放水汽的材料。膠在固化的過(guò)程中，水汽不能充分排除，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高、低溫老煉，再次釋放出水汽。我們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，共晶貼片的電路內(nèi)部水汽含量比聚合物膠粘結(jié)的小很多。

2．7 混合微電路封裝產(chǎn)品組裝的問(wèn)題

對(duì)混合微電路封裝產(chǎn)品而言，組裝的元器件數(shù)量，變壓器浸漆，陶瓷基板的空洞，導(dǎo)帶布線的致密性等，都是影響內(nèi)部水汽含量控制的因素。

3 采取的相應(yīng)措施

3．1 準(zhǔn)備工作

根據(jù)技術(shù)攻關(guān)總體要求，收集資料，編制實(shí)施方案，相關(guān)技術(shù)人員和操作人員進(jìn)入到自己的工作角色，并進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)準(zhǔn)備。

3．2 高純N2流量控制

針對(duì)N2本身的濕度問(wèn)題，使用純度達(dá)9．999％的N2，并隨時(shí)檢測(cè)高純N2的濕度。

針對(duì)操作箱內(nèi)高純N2壓力不充足，調(diào)整操作箱N(xiāo)2的進(jìn)出流量比例，①改變?cè)瓉?lái)的操作箱充N(xiāo)2不足為每天24小時(shí)一直充高壓N2；②在操作箱N(xiāo)2出口處加裝了N2流出量的控制壓塊，使進(jìn)氣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于出氣量，讓干燥的N2在操作箱內(nèi)停留的時(shí)間延長(zhǎng)，以達(dá)到效果。

3．3 操作箱濕度控制

針對(duì)設(shè)備操作箱體積大、濕度難控制，使用進(jìn)口設(shè)備的密閉性好的操作箱，并在操作箱內(nèi)加裝濕度計(jì)，隨時(shí)監(jiān)控操作箱內(nèi)的濕度變化。制定內(nèi)部水汽含量的控制條例，貼在設(shè)備旁邊。條例要求操作人員打掃衛(wèi)生時(shí)，不能使用濕毛巾，必須使用吸塵器和干燥清潔的毛巾；不準(zhǔn)隨意打開(kāi)操作箱，不準(zhǔn)隨意取掉操作手套，如果操作手套有一個(gè)砂眼，必須及時(shí)更換，保證操作箱的濕度在0-3％范圍。因?yàn)樗麤](méi)有正、負(fù)壓，無(wú)孔不入，一個(gè)漏孔，往往導(dǎo)致操作箱濕度偏大。

3．4 產(chǎn)品氣密性控制

針對(duì)微電路封裝產(chǎn)品的氣密性要求高，優(yōu)化封帽的工藝參數(shù)，采取專(zhuān)人操作，多練習(xí)，熟悉各種管殼的封帽條件，使封帽技能提高；對(duì)封帽模具和電極定時(shí)修整打磨，盡可能提高封裝產(chǎn)品的氣密性，保證細(xì)檢的標(biāo)準(zhǔn)漏率控制在10-9mbar．L／s以上，，封帽合格。目前我們封裝的產(chǎn)品90％氣密性都在10-9mbar．L／s以上，并記錄下每只微電路封裝產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)漏率，統(tǒng)計(jì)分析這些數(shù)據(jù)，尋找對(duì)策。這些措施對(duì)控制內(nèi)部水汽含量和氧含量有很大的幫助。

3．5 貼裝產(chǎn)品空洞控制

針對(duì)微電路封裝產(chǎn)品的空洞現(xiàn)象，分析空洞的形成原因，分別采取不同的措施：共晶燒結(jié)采取手動(dòng)摩擦，聚合物粘結(jié)控制滴膠量和膠的固化溫度，排除芯片和管殼之間的氣泡。定期抽樣送廣州五所作X射線照相，監(jiān)控我們的產(chǎn)品空洞不超標(biāo)?，F(xiàn)在，我們貼裝的產(chǎn)品空洞＜5％。

3．6 管殼質(zhì)量控制
針對(duì)部分金屬或陶瓷管殼質(zhì)量較差，我們加強(qiáng)管殼的人所驗(yàn)收，及時(shí)與管殼廠家溝通。管殼使用前，采取超聲清洗(甲苯、丙酮、乙醇超聲一定時(shí)間，無(wú)水乙醇脫水)和高溫烘焙(合適溫度、合適時(shí)間)，目的是保證管殼干燥清潔，不產(chǎn)生水汽。從相關(guān)的同行和大量的資料得知，封裝的芯片和管殼，在超聲清洗后，再使用等離子清洗技術(shù)，能夠大大改善芯片的剪切強(qiáng)度和密封性，對(duì)控制內(nèi)部氣氛有很大好處。目前，我們正在進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，以改善封裝產(chǎn)品的可靠性。

3．7 貼裝用膠控制

針對(duì)貼裝用不同的膠，專(zhuān)門(mén)作膠的水汽試驗(yàn)，依據(jù)水汽檢測(cè)數(shù)據(jù)，更換膠的型號(hào)，選擇強(qiáng)度好、釋放水汽少的膠。我們現(xiàn)在使用的膠，是在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上選擇出來(lái)的，能夠很好控制水汽含量釋放。
3．8 優(yōu)化封帽條件

在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同種類(lèi)的微電路封裝產(chǎn)品，制定了不同的封帽條件，嚴(yán)格控制：長(zhǎng)時(shí)間抽真空，高溫烘焙(合適溫度、合適時(shí)間)作箱內(nèi)高純N2壓力充足，封帽參數(shù)優(yōu)化。

4 試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)自身?xiàng)l件，針對(duì)設(shè)備現(xiàn)狀，我所專(zhuān)門(mén)引進(jìn)使用了ACCU-5200儲(chǔ)能焊接機(jī)和M2100平行縫焊機(jī)以及GK-2合金焊料熔封爐。

儲(chǔ)能焊接機(jī)和平行縫焊機(jī)的烘箱與操作箱是一個(gè)整體，微電路封裝產(chǎn)品從烘箱傳輸?shù)讲僮飨涞倪^(guò)程完全密閉。烘箱烘焙溫度可控且抽真空、可以充高純N2；設(shè)備操作箱的氣密性好，操作箱內(nèi)24小時(shí)充高純N2，呈正壓狀態(tài)。

合金焊料熔封改H2熔封為全N2熔封，可以控制管殼型號(hào)PGA84線及更大腔體的產(chǎn)品內(nèi)部水汽含量。

加工的試驗(yàn)樣品，經(jīng)我所DGCl001型氦質(zhì)譜檢漏儀(細(xì)檢)、FC-JIY-1型氟碳油檢漏儀(粗檢)檢漏，發(fā)現(xiàn)ACCU-5200儲(chǔ)能焊接機(jī)封裝的5只TO-04M2樣品漏氣，采取補(bǔ)封措施后檢漏合格，其余的樣品檢漏合格。全部試驗(yàn)樣品送廣州五所元器件可靠性研究分析中心分析檢測(cè)，結(jié)果如下：

試驗(yàn)的內(nèi)部氣氛含量檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明：封裝的產(chǎn)品，性封裝檢漏合格，內(nèi)部N2含量較高，內(nèi)部水汽含量檢測(cè)≤5000ppm。另外，5只TO-04M2樣品漏氣，即便采取補(bǔ)封措施檢漏合格，其內(nèi)部水汽含量仍然嚴(yán)重超標(biāo)。所以，我們即使使用性能好，操作箱密封好的進(jìn)口設(shè)備，也要求提高封裝工藝水平，加強(qiáng)質(zhì)量意識(shí)，盡量性封裝檢漏合格，才能達(dá)到內(nèi)部水汽含量檢測(cè)的要求。

5 結(jié)論

以上選擇的是大量試驗(yàn)中比較典型的有針對(duì)性的試驗(yàn)。事實(shí)證明，我所微電路封裝產(chǎn)品，只要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的工藝控制，其內(nèi)部水汽含量能滿(mǎn)足≤5000ppm。

首先應(yīng)該提高封裝工藝水平，加強(qiáng)每個(gè)員工的質(zhì)量意識(shí)，盡量性封裝檢漏合格。在工藝實(shí)施過(guò)程中，使用高質(zhì)量的管殼，避免不必要的漏氣出現(xiàn)，而且管殼要清洗烘焙。其次，工藝保障條件如下：①盡量保證封帽機(jī)操作箱的密封性，要使操作箱與外界環(huán)境保持正氣壓，把箱內(nèi)空氣徹底排除干凈；②封帽前，把微電路封裝產(chǎn)品放在烘箱內(nèi)抽真空并充高純N：數(shù)次，且在合適的溫度下，烘焙合適的時(shí)間，目的是徹底排除微電路封裝產(chǎn)品本身吸附的水汽。這些控制方法，已經(jīng)納人我們的封裝工藝規(guī)范，在整個(gè)封裝過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行，指導(dǎo)科研生產(chǎn)
工作。

通過(guò)嚴(yán)格的工藝過(guò)程控制，我所微電路封裝產(chǎn)品的內(nèi)部水汽含量≤5000ppm，使我所微電路封裝產(chǎn)品的可靠性上了一個(gè)新臺(tái)階，提高到了一個(gè)新水平。 當(dāng)然，我們的工作還有不足，比如：特大腔體管殼，混合微電路組裝產(chǎn)品有毛刺、有縫隙等水汽含量問(wèn)題有待進(jìn)一步探討；操作箱內(nèi)部如果使用的露點(diǎn)儀，將更好監(jiān)控操作箱濕度。

6 結(jié)束語(yǔ)

，對(duì)于內(nèi)部水汽研究工作中，給予大力幫助和支持的24所第十五研究室廣大工程技術(shù)人員、工人師傅以及廣州五所元器件可靠性研究分析中心吳文章同志表示深切的感謝。