气密性封装内部水汽含量的控制

气密性封装内部水汽含量过高,会使芯片及电连接系统发生各种物理化学反应,从而造成器件参数不稳定甚至失效,为了保证空封半导体器件的可靠性,生产上不仅需要检测器件封装的气密性,而且需对器件内部水汽含量进行有效的控制。因国内许多生产单位不具备对内部水汽含量进行有效控制的条件和检测设备,因而通过本文的讨论并采用有效防止水汽存在或引入器件的内部,使水汽含量控制在规定的范围内(GJB548A-96、GJB33A-97规定内部水汽含量为:100±5℃,烘24小时以上,小于5000ppmV,且这是最低要求)。因要使器件(未经钝化处理)无因水汽引起的失效,最稳妥的办法是使器件内部水汽含量小于500ppmv;实际上,对大多数器件内部水汽含量若能保持在1000ppmv 以下即能保证器件可靠运行。我们采用合金烧结芯片、合金封帽的器件其内部水汽含量控制在300ppmV 左右,聚合物导电胶装片、合金封帽的在1200ppmV 左右,银玻璃装片、Pb-Sn-Ag 合金封帽的在3000ppmV 左右,即便有某些偏差,亦能保证内部水汽含量控制在较低的范围内,使生产的器件可靠性大大提高,并能100%通过水汽含量检测。     

长期贮存对气密性封装的影响研究

密封微电子器件在对可靠性要求较高领域占有绝对的地位,为了研究长期室内自然贮存对密封微电子封装性能的影响,对贮存在北京某研究所库房的多种气密性封装微电子器件进行试验分析。运用破坏性物理分析(DPA)方法检验样品的密封性、内部形貌、键合强度和芯片粘贴强度等,总结出长期贮存对气密性封装器件封装性能影响的结论;并根据密封性测试结果对器件分组,分别得到密封合格与不合格产品长期贮存后封装性能的实测数据,对密封性能对元器件贮存可靠性的影响进行研究,为元器件的筛选和贮存提供借鉴。     

密封封装内部水汽含量判据研究

密封封装内部的水汽对于半导体器件的可靠性是一种威胁,由此导致的硅表面铝金属线的腐蚀是一种主要的失效机理。为了防止密封封装内部发生腐蚀失效,从而提高器件的可靠性,美军标和我国国军标均给出了内部水汽含量的试验流程和判据。然而另一些研究表明,水汽的单独存在并不会导致铝线腐蚀失效。研究了水汽在密封器件的腐蚀失效机理中的作用,对硅表面铝线的腐蚀过程进行了数学描述,分析了目前标准中内部水汽含量判据,并给出了防止密封器件腐蚀失效的建议。     

高可靠集成电路封装技术研究

针对半导体模拟集成电路内部水汽含量大,不能满足装备对集成电路长期可靠性要求的现状,对陶瓷熔封、金属储能焊封两种封装技术进行了系统分析,针对可能导致器件内部水汽含量增大的主要原因,进行工艺研究,实现了有效控制器件内部水汽含量的预定目标,使封装器件内部的水汽含量由10000-50000ppm提升到5000ppm以内的水平,大幅度提升器件封装的可靠性。     

封装腔体内氢气含量控制

目前,对密封腔体内的水汽、二氧化碳、氧气含量的研究比较多,内部水汽含量控制在≤5 000 ppm、氧气控制在≤2 000 ppm、二氧化碳控制在≤4 000 ppm、氦气控制在≤1 000 ppm的密封工艺技术已解决[9],氢气含量控制的研究则未见报道。对于一些气密性要求高的封装应用领域,还需要控制氢气含量,如MEMS、GaAs电路等。分析了平行缝焊、Au80Sn20合金封帽的导电胶、合金烧结的器件的内部氢气含量,并分析了125℃168 h和125℃1 000 h贮存前后氢气含量的变化情况;在试验的基础上,提出了氢气的主要来源和针对性的工艺措施,并取得了期望的结果：密封器件经过125℃、1 000 h贮存后的氢气含量也能控制在≤4 000 ppm。     

混合微电路内部水汽含量控制技术

根据气密性封装混合微电路内腔残余气体数据的测试结果,对水汽含量超标的样品进行了深入分析。提出了一种阻断分离法,可用于分析混合微电路水汽失效的原因。采用该方法,对可能引起水汽失效的外壳密封性问题、粘结胶放气问题,以及内部元器件及组装材料放气问题分别进行了试验验证与组合分析,找到了与水汽失效相关的各种原因及控制办法。根据试验分析结果,系统地提出了控制混合微电路内部水汽及其他杂质含量的有效方法。     

内部水汽对半导体器件可靠性影响的研究

由于各种原因,国内对器件内腔水汽的危害还没给予充分重视和有效控制,器件内部水汽含量较高,使之在环境温度低于封装内水汽露点温度的条件下工作与贮存时容易发生失效,对器件可靠性直接造成威胁,是个急待解决的问题。本研究目的在于了解国产军用密封半导体器件内部水汽现状及其对可靠性的影响,探讨揭示内部水汽问题的有效试验方法,寻求降低水汽影响,提高器件可靠性的主要途径。     

金属外壳封装电路内部水汽含量的分析与控制措施

较为系统地分析了金属外壳封装电路内部水汽来源问题，并在大量试验的基础上，制定了金属外壳封装电路内部水汽含量的有效控制措施，包括对金属外壳封装电路封装气密性的控制、封装环境的控制、封装前烘烤条件的控制等。     

导电胶固化状态对器件内部水汽含量的影响

气密性封装器件的芯腔内部如果存在大量的水汽，则会影响器件的可靠性，因此在封装的过程中，要对器件内部的水汽含量进行控制。但是目前的控制措施主要是从封帽环境、原材料等方面入手，对导电胶固化状态对器件内部水汽含量的影响研究得较少。因此，首先，对比了不同固化状态导电胶的固化度和吸水率；然后，对不同固化状态对器件内部水汽含量的影响进行了研究。结果表明，充氮烘箱的装载量会影响导电胶的固化状态。当导电胶在300℃下的固化时间为30 min时，其固化度为100%，吸水率约为0.45%；当在300℃下的固化时间为10 min时，其固化度约为92%，吸水率约为0.94%。导电胶固化不充分时，其在温度循环和高温烘烤中会继续固化，并释放出少量的水汽和大量的二氧化碳。固化不充分的导电胶会在双85试验中吸收水汽，即使器件在封帽前会进行烘烤，吸收的水汽也未能完全排出，导致器件内部水汽含量升高。随着烘烤时间的增加，器件内部水汽含量逐渐地减少，当将烘烤时间延长至13 h时，可有效地去除固化不充分导电胶吸收的水汽，使水汽含量低于1 000×10^-6。     

倒装焊器件的密封技术

倒装焊的底部填充属非气密性封装,并且受倒装焊凸点焊料熔点、底部填充有机材料耐温限制,使得倒装焊器件的密封结构设计和工艺设计受限。文章结合气密性器件使用要求,设计了两种不改变现行倒装焊器件制造工艺、器件总体结构[3]的密封技术,经过分析论证以及工艺实验,确认其是可行的。密封的器件能够满足MIL-883G中有关气密性、内部水汽含量、耐腐蚀(盐雾)、耐湿以及机械试验等[6~7],密封结构、密封工艺均是在现有封装工艺条件基础上进行,具有非常强的可行性。     

Sources and control of volatile gases hazardous to hermeticelectronic enclosures

Four gases that threaten operating reliability may be present in hermetic electronic enclosures. Condensates of moisture and/or ammonia can cause metallization corrosion. Hydrogen is a rapid diffuser that can degrade metal-oxide-semiconductor (MOS) device operation. Oxygen can cause oxidation and ensuing failure of solder attachment materials within the sealed package. Other gases, such as carbon dioxide, helium, argon, and organic volatiles are not threats to reliability, but do provide clues to package materials behavior. Knowing sealed package ambient gas composition helps improve materials and processes for hermetic sealing and enables process control to assure reliable products. This paper describes the analysis method for hermetic microelectronics, residual gas analysis (RGA), available at only a few laboratories worldwide. It discusses sealing processes and package piece part materials that are sources of volatiles hazardous to product reliability. It presents materials selection and improvement considerations to reduce and control dangerous volatiles in hermetic packages     

Low Temperature Wafer Level Hermetic Package with Benzo-cyclo-butene Material

The wafer level hermetic package method was studied experimentally in low temperature for optoelectronic devices with benzo-cyclo-butene(BCB) material. The results show that the bonding temperature is below 250℃, the helium hermetic capability of both silicon-BCB-silicon and silicon-BCB-glass package are better than 6×10~ -4 Pa·cm~3/s. The shear strength is enough for package. The hermeticity is still good after the 15 cycles' thermal shock test. The relationship between the leakage rate and the distance from the hole to the device border were also discussed with a seepage model.     

Enhanced solder joint bonding strength of electronic packaging with electrowetting effect

This paper reports a novel method to enhance solder ball or solder ring bonding strength by using electrowetting-on-dielectric (EWOD) effect. With a low melting point, the metal Sn has been widely used in electronic packaging technology. Since Sn will be molten into liquid when the temperature is increased above the melting point, the method for treating liquid can be herein employed. Contact angle of the molten Pb-free balls or ring structure on silicon substrate have been experimentally changed by applying electric field across the thin dielectric film between the molten solder and the conductive silicon substrate. The contact area between the solder and the substrate is enlarged due to the decrease of the contact angle. Our testing results on the EWOD enhanced packaging structures of solder balls, flip-chip and solder ring hermetic package generally show about 50% enhancement in bonding shear strength. The significantly enhanced solder link bonding strength is hopeful for improving packaging reliability and is promising to be used in high performance silicon based electronic or microelectromechanic SiP (system in package) technologies.     

氦质谱检漏试验方法分析

从电子元器件气密性封装的原理入手,介绍了常用的检漏试验方法,阐述了美军标MIL-STD-883氦质谱检漏试验方法的最新发展,分析了积累氦质谱试验方法的特点及要求,并探讨了基于氦气交换时间常数τHe的氦质谱检漏思路。     

漏率公式与判据和内部气体含量的分析研究(一)

在对氦质谱细检漏漏率公式的分析和对密封腔体内外气体交换过程公式的推演中,以氦气标准漏率LHe代替等效标准漏率L,引用了氦气交换时间常数τHe,使公式更为真实和简单直观。通过漏率偏差的分析和内部气体含量的计算表明,能够应用文中的公式对密封腔体内外气体的交换过程进行工程计算。计算分析了现行某些标准中各种试验条件漏率判据所对应的τHe,着重指出漏率符合接收判据并不能有效保证内部水汽含量要求。讨论了这些标准中进行的改进、存在的密封性等级及进一步改进的必要,并提出了建议进行研究的内容。     

Application of Au-Sn eutectic bonding in hermetic radio-frequency microelectromechanical system wafer level packaging

Development of packaging is one of the critical issues toward realizing commercialization of radio-frequency-microelectromechanical system (RF-MEMS) devices. The RF-MEMS package should be designed to have small size, hermetic protection, good RF performance, and high reliability. In addition, packaging should be conducted at sufficiently low temperature. In this paper, a low-temperature hermetic wafer level packaging scheme for the RF-MEMS devices is presented. For hermetic sealing, Au-Sn eutectic bonding technology at temperatures below 300°C is used. Au-Sn multilayer metallization with a square loop of 70 μm in width is performed. The electrical feed-through is achieved by the vertical through-hole via filling with electroplated Cu. The size of the MEMS package is 1 mm × 1 mm × 700 μm. The shear strength and hermeticity of the package satisfies the requirements of MIL-STD-883F. Any organic gases or contamination are not observed inside the package. The total insertion loss for the packaging is 0.075 dB at 2 GHz. Furthermore, the robustness of the package is demonstrated by observing no performance degradation and physical damage of the package after several reliability tests.     

JIS Z 3198无铅钎料试验方法简介与评述

JIS Z 3198是关于无铅钎料及其接合部性能测试的工业标准,由日本焊接协会提出初始提案,经日本工业标准调查会审议,最终由日本经济产业省于2003年6月20日并发布.标准涵盖了无铅钎料熔化温度范围测试、机械特性测试、铺展性测试、润湿性测试、接头的拉伸与剪切强度测试、QFP引线软钎焊接头拉引测试、片式元件软钎焊接头的剪切测试7个方面.依据JIS Z 3198 1-7原文对该标准各部分进行介绍,拟推进我国电子封装与组装的无铅化进程.