厚膜HIC金属封装腔内水汽的影响及控制
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摘 要：在电子器件的生产过程中，水汽对于器件的可靠性影响一直是相关设计、生产非常关注的问题，本文就电子器件封装腔内水汽的主要来源进行了分析，并对加强厚膜hic金属封装腔的相关工艺提出了相应的控制方法。
0 引言
根据国家对电子元器件的生产提出的相关规定，HIC金属封装腔内的水气含量达到100℃时不高于5000ppm的水平，才能满足相关企业生产国军标产品的要求。因此，在日常生产中，从加强产品质量、提升企业生产水平的角度出发，应充分了解厚膜HIC金属封装腔内水汽器件可靠性的影响，并对电子器件封装腔内水汽的主要来源进行研究，以此加强对相关工艺和操作方法的控制，使器件生产达到更好的金属封腔水汽含量控制水平。
1 厚膜HIC金属封装腔内水汽含量偏高常见的问题分析
对于航天使用的器件而言，厚膜HIC金属封装腔内水汽含量偏高会直接导致器件的可靠性降低、使用寿命缩短。由于厚膜HIC金属封装腔内水汽含量的控制不当，常会带来以下的问题。
（1）芯片电性能劣化
水分子因带有正、负离子而表现出导电性，当厚膜HIC金属封装腔内的水汽含量过高，则会使器件芯片吸附水分子在其表面形成具有导电性能的水膜，在压的作用下，离子的导电性会增加通过芯片的电流，使芯片的电性能发生改变，劣化其电性能。
（2）腐蚀键合点和焊盘，使电路开路失效
厚膜HIC金属封装腔的内部结构中，存在比较丰富的键合金丝、键合点，以及焊盘等，这些小部件比较脆弱，极易受到潮湿环境的腐蚀。当厚膜HIC金属封装腔内的水汽得不到控制形成其内部的潮湿环境时，就会对键合点、焊盘、键合金丝产生影响，进而增加这些部件相互之间的互边电阻。腐蚀情况较轻时，会让其中的电参数性能发生微小的变化。
（3）金属迁移
所谓的金属迁移就是在厚膜HIC金属封装腔内的键合焊盘处由一个金属离子从阳极区迁移至阴极区的电解过程，出现金属枝晶生长现象。当厚膜HIC金属封装腔内的水汽含量上升到15000～150000ppm时，将会导致金属离子的迁移，从面使桥连区出现更多的泄露电流，一旦形成桥连，就会发生短路问题。
2 厚膜HIC金属封装腔内水汽的来源分析
为了达到控制内部水汽含量≤5000ppm这个工艺要求，必须了解HIC金属封装内部水汽含量的来源和形成，这是分析和解决内部水汽含量问题的关键因素。我们通过对封焊水汽含量合格与不合格电路的比较和分析，发现电路气密性不好、平行封焊前充氮气时间较短（一般为几小时）以及对电路烘焙的温度和时间不合适是造成其水汽含量超标的主要原因。
通过近几年来的工艺研究工作，我们找到了影响HIC金属封装内部水汽含量的主要原因，其主要影响因素如下：
（1）进行厚膜HIC金属封装时，其周围的工艺气氛中所含的水汽；
（2）封装腔内的各种材料如金属盖板、芯片表面、基片、内部引线等本身吸附或溶解的水分，由于封装于厚膜HIC金属封装腔的过程中，在高温密封的环境内将吸附的水分析出形成水汽；
（3）由于厚膜HIC金属封装腔的密封性出现问题，导致漏气现象的出现，水汽随着漏孔渗入金属封装腔内。
3 控制厚膜HIC金属封装腔内水汽含量的相关工艺措施
在HIC金属封装工艺中的封装材料及前面的工序可能引起的封装后水汽含量的变化已有研究，在这就不一一阐述。主要阐述封装前、封装过程中、封装后的相关措施。
（1）提高平行缝焊机封装腔和烘烤箱的洁净度
厚膜HIC金属封装腔的气密性受封装环境的影响较大，如果封装环境得不到保障，那么很难实现HIC金属封装腔水汽含量的有效控制。目前，进行HIC金属封装腔的具体操作的相关器械为SSEC 2300平行缝焊机，其封装腔和干燥箱均采用的是精密的不锈钢结构，但如果洁净度不够，就会造成对HIC金属封装腔水汽控制的失效。因此，在使用相关器械时，应用Y09-9型激光料子计数器对其进行测试，保证操箱和干燥箱的洁净度达到1000级，这样才能满足工艺的要求，保证生产质量。
（2）保障半成品的贮存环境满足生产要求
器件进行厚膜HIC金属封装腔的封装前，相关的半成品会进行一段时间的贮存，而在这个贮存过程中，由于贮存环境不合格，会造成待用的半成品器件吸附水分，从而导致在封装时带入过多的水汽。这就需要将已检测合格和已清洗烘干的半成品置于含有99.99%的N2且洁净度满足1000级的贮存环境中，才能有效控制水汽随半成品进入HIC金属封装腔内。
（3）对封装腔进行内部环境的干燥
在进行厚膜HIC金属封装腔的封装操作时，由于生产并不是在连续的操作情况下完成的，因此不能保证封装腔在封装前一直处于N2的环境中，因此需要在封装前对封装腔进行排气处理，将封装腔内的空气排空。这一过程一般通过在99.99%N2的条件下加热4h以上，使操作箱内的湿度小于200ppm，气压大于1.2个大气压时再进行封装操作完成。
（4）封装前对半成品进行充分烘烤
为保证封装前半成品吸附水分的问题得到彻底解决，即使是妥善保存于N2环境中的半成品在进行封装前依然需要在SSEC M2300平行缝焊机的烘箱内进行充分烘烤，使芯片等部件的吸附的水汽完成被排除。一般情况下，将部件置于真空度为小于9×10-3托，温度在145℃且温度浮度在5℃以内的环境中烘烤3h以上即可。
（5）提升气密性要求
厚膜HIC金属封装腔的气密性直接决定了相关器件的质量，对于封装后的器件应严格执行GJB548A方法1014A中关于He的气密性要求，从而有效控制封装腔的漏气而导致的水汽含量增加的问题出现。
4 试验及检测结果分析
通过以上工艺控制后，我们进行了HIC金属封装工艺验证实验，其检测结果：封装的产品，一次性封装检漏合格，内部N2含量较高，内部水汽含量检测≤1000ppm。另外，1只样品漏气，即便采取补封措施检漏合格，其内部水汽含量仍然严重超标。所以，我们即使使用性能好，操作箱密封好的进口设备，也要求提高封装工艺水平，加强质量意识，尽量一次性封装检漏合格，才能达到内部水汽含量检测的要求。
5 结语
对于气密性要求较高的器件来说，厚膜HIC金属封装的质量控制关系着电子产品的整体质量，决定了器件的寿命。从工艺上提高对其封装腔内水汽的有效控制，是提高电子产品质量的关键。相关问题的解决对于提高电子产品系统的可靠性具有非常重要的意义。