卢思佳

（工业和信息化部电子第五研究所，广东　广州　510610）

金属与玻璃封装集成电路小漏率检测技术研究

卢思佳

（工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610）

对金属-玻璃封装集成电路的小漏率检测技术进行了研究。首先，介绍了充压式氦质谱检漏法、破坏性内部气氛含量分析法和累积型氦检漏法的原理和流程；然后，分别利用这3种方法，对某试验样品的小漏率进行了检测；最后，根据试验结果，对3种方法的优缺点和适用范围进行了总结，对于金属-玻璃封装集成电路的小漏率的检测方法的正确选择具有重要的指导意义。

集成电路；小漏率；检测技术

0　引言

元器件密封的主要目的是为了防止所充入的保护气体的外泄，以及外部水汽等有害气体的漏入。一种理想的气密封装应在无限的时间内均能防止污染物 （液体、固体或气体）的侵入。然而，即便是在最好的密封结构中，扩散现象也总是会随着时间的延长而出现，从而使得很小的分子 （例如：氦或水蒸气）穿透阻挡材料，最终在封装内达到平衡[1]。

密封试验的目的是为了确定一种具有内空腔的微电子器件或半导体器件封装的气密性。小泄漏通常指的是用充压氦法进行氦气加压的过程中，由于器件内外的压差大，氦气会通过微小的漏孔进入样品内部的现象。采用一般质谱仪进行细检漏时，由于漏孔小、压差小和设备灵敏度较低等原因，已充入样品内部的小漏率氦气通常都无法被检测出来[2-3]。

若将存在此类小泄漏现象的器件置于空气环境中，则只能保证被检测的元器件在短时间内其内部气体不被外界环境污染，但不能保证器件的长期可靠性。因此，本项目对金属与玻璃封装集成电路的小漏率的检测方法进行了研究。

表2　样品做完密封试验后内部气氛分析结果

1　概况

本研究的目的为通过对金属与玻璃封装集成电路的小漏率检测技术进行研究，解决金属与玻璃封装集成电路密封试验过程中的小漏率问题。

存在小漏率的样品，如果按照目前国军标中密封试验的判据要求进行判定，则其细检漏和粗检漏的测试结果都是合格的。但在进行内部水汽含量测试时，在对器件的内部气氛进行分析后，发现器件的内部存在密封性测试的示踪物质，表明器件的密封性能不够好[4]。取4只样品，按GJB 548B方法1014对其进行密封试验，试验结果如表1所示。完成密封试验后，对器件的内部气氛进行分析，所得的结果如表2所示。

而对于所关注的器件内部水汽含量，按照GJB 548方法 1018的规定，其值不能超过 0.5%（5 000 ppm），对比表1中2#样品和4#样品的密封试验结果及表2中2#样品和4#样品水汽含量数据可以发现，水汽含量是否超标与器件是否存在小漏率问题并没有直接的关联。但是，根据大量的试验数据的统计结果，我们发现，目前就国产器件而言，若其出现小漏率问题，则其水汽含量值普遍较同批生产的、未出现此问题的器件的试验数值高。本项目中所考虑的存在小漏率问题的样品是指漏率小于5×10-3Pa.cm3/s的样品。

表1　样品密封试验结果

2　小漏率检测方法

2.1充压氦质谱检漏方法

普通示显气体氦 （He）细检漏法的检测效率较高，且无损无害，是目前应用最为普遍的细检漏方法[5]，但其检测系统本底的氦漏率和被检件表面吸附氦漏率常常会严重地制约检测灵敏度，这也是采用该方法检漏时的主要误差来源[6]。

目前充压式氦质谱检漏法有2种方法：固定方法和灵活方法。

a）固定方法：对特定的封装尺寸范围要求有特定加压压力和加压时间的试验方法。主要分3步，即：1）对样品充氦；2）消除样品表面吸附的氦气；3）检测样品的漏率，最终判断是否拒收，其具体的流程如图1所示。

图1　充压法氦质谱检漏方法流程图

b）灵活方法：根据样品的封装体积，选择适当的充氦压力、压力作用时间和停留时间，然后通过如下公式计算样品的测量漏率[3]。

式 （1）中：R1——示踪气体 （氦）的测量漏率，（Pa·cm3）/s；

L——等效标准漏率，（Pa·cm3）/s；

PE——绝对作用压力，Pa；

PO——绝对大气压力，Pa；

MA——空气的分子量 （为28.7），g；

M——示踪气体氦的分子量 （为4），g；

t1——受PE压力作用的时间，s；

t2——去除压力后到漏气检测之间的停顿时间，s；

V——被试器件封装的内腔体积，cm3。

2.2破坏性内部气氛含量质谱分析检漏方法

氦气是氦质谱检漏的示踪气体，对于采用加压法检漏的产品，除了存在不稳定的漏孔外，内部氦气的含量应是计算其真实测量漏率和氦气标准漏率的最可信的依据。而漏入的水汽含量和氧气含量与这些漏率密切相关，因而可采用破坏性内部气氛分析法首先得到器件内部氦气的含量，然后通过相应的计算公式算出氦气的漏率[7]。

2000年出版的美国专著 《电子封装的密封性》中指出：“破坏性内部气氛含量质谱分析法既可以用于验证氦质谱或积累氦质谱密封性检测的结果，又可以用于密封性检测”[8]，但书中未进一步地给出该检漏法的实施方法。在2011年的美国军用和宇航用电子元器件会议上，有文献指出：“漏率测试表明了残余气体分析仪 （RGA：Residual Gas Analyzer）分析结果的可信性，RGA分析结果表明了漏率测试的可信性；内部气氛分析能辨别更为严密的漏率判据”，但文中也未给出内部气氛分析检漏法的具体实施方法。但是，上述文献均说明了内部气氛的含量与密封样品的漏率是密切相关的。

破坏性内部气氛含量质谱分析法主要分为3个部分：1）样品在规定的时间及压力条件下压入氦气；2）通过破坏性内部气氛分析得到内部氦气的含量 （含量百分比）；3）利用变换分子流公式计算氦气的漏率，具体的试验步骤如图2所示。

图2　　破坏性内部气氛含量质谱分析法的流程图

氦气漏率的算法主要从公式 （1）中变换而来。

经t1加压时间和t2候检时间后，器件内部的氦压 （这里的氦气含量是加压过程引起的）为：

式 （2）-（3）中：P（t），QHe——氦气在封装内的数量 （或在封装内的氦气分压），atm。

其他参数所代表的意义与式 （1）中的相同。

通过式 （3），我们可以在已知样品封装的内部容积、密封氦气加压压力、受压时间和测得的氦气的含量的情况下，计算出氦气的标准漏率，再通过氦气分压关系得到氦气的测量漏率。

2.3累积型氦检漏方法

累积型氦检漏法主要是通过采用累积型氦检漏仪进行检漏试验[9]。

累积氦质谱检漏法仍是基于经典的豪威尔-曼方程表征的分子流气体交换原理进行的，只是采用了新型的积累氦质谱检漏设备 （CHLD），该设备通过配置低温冷凝泵、分子泵和四极质谱仪等组合装置，能够在高真空、高信噪比环境中进行检漏，检漏灵敏度较传统的氦质谱检漏仪可提高若干个数量级。累积型氦检漏仪的工作原理与内部气氛分析仪的基本原理相近，都采用了四极质谱仪，通过氦气含量计算氦气的漏率。

累积型氦检漏法的流程如图3所示。

图3　累积型氦检漏法的流程图

3　3种小漏率方法的检测结果比对

3.1试验目的

分别利用3种检漏方法对相同的样品的密封性进行检测，通过对检测结果进行分析来总结3种检漏方法各自的优缺点和适用范围，从而为金属与玻璃封装的集成电路的小漏率检测方法的正确选择提供一定的指导。

3.2试验样品的准备

在GJB 548B方法1014密封试验条件A1中，按样品体积的大小划分了5种不同的试验条件和接收判据，选取体积大于等于0.1 cm3的5种内腔体积 （0.1、0.4、0.9、4.3和12.8 cm3）进行试验 （如图4所示），5个体积划分在大于0.1 cm3的4个区间内，要求这些金属与玻璃封装的样品在纯氮气的环境下进行封装，并在封装完成后到本试验室进行样品的第一次密封试验，这样做主要是为了防止样品在进行多次密封试验、经过多次充压氦气后，氦气量的叠加对试验结果产生影响。按顺序采用充压氦质谱检漏、累积型氦检漏和破坏性内部气氛含量质谱分析检漏3种方法对样品的漏率进行检测。

图4　选取的试验样品典型图

3.3试验步骤

将器件内部没有预充氦气的试验样品置于压力箱中，压力箱抽真空后充入PE氦压，并维持t1时间，取出样品后，用干燥空气 （或氮气）将样品表面吸附的氦气大体吹走 （大约5 min），然后在1 h内按下述顺序对样品进行试验。

1）采用普通氦质谱检漏设备对样品进行检漏，读取测量漏率R1；

2）试验1）完成后，采用累积型氦检漏仪对样品进行密封试验，读取测量漏率R2；

3）试验2）完成后，将样品及符合要求的夹具放进穿刺台，对样品进行内部气氛分析试验，检测样品内部氦气的含量，再通过漏率公式计算出样品中氦气的漏率R3。

3.4试验结果

a）由于氦质谱检漏设备的灵敏度及本底噪声的限制，当一般氦质谱检漏仪的本底漏率在5.0× 10-5～1.0×10-4Pa.cm3/s之间 （设备的一般状态）时，即使在气密封检漏前已经对样品进行过必要的表面吸附处理，在样品的漏率小于5.0×10-4Pa.cm3/s时，也不宜使用普通氦质谱检漏设备进行精准的小漏率检测。

b）累积型氦检漏法检测精度高，测试的小漏率的范围可以精确到1.0×10-7～5.0×10-3Pa.cm3/s，但当样品的漏率大于5.0×10-4Pa.cm3/s时，不建议使用该方法进行测试；这是因为，累积型氦检漏仪本身就是用于测试小漏率的，其对环境的要求很苛刻，漏率大会污染系统。

c）破坏性内部气氛含量质谱分析法既可以用于小漏率密封性检测，又可以验证氦质谱或积累型氦检漏的结果。采用内部氦气含量质谱分析法对样品的漏率进行检验，可不受氦质谱检漏仪本底漏率值和被检件表面吸附氦漏率这两项背景漏率的影响，从而可以得到比较准确的结果。其可检氦气的含量大于0.001% （10 ppm），检测出的氦气测量漏率R可低至10-12～10-14Pa.cm3/s。

d）从上述几组试验数据可以看出，充压法氦质谱检漏、破坏性内部气氛含量质谱分析检漏和累积型氦检漏3种方法都可以用于对金属与玻璃封装集成电路的小漏率进行检测，但各自具备不同的优缺点及适用范围，具体的情况如表3所示。

表3　3种测试方法对比指南

4　结束语

针对金属与玻璃封装集成电路的小漏率问题，本文对充压式氦质谱检漏法、破坏性内部气氛含量分析法和累积型氦检漏法进行了研究。通过研究发现，充压式氦质谱检漏法是目前国内最常用的密封检漏方法，但会受到氦质谱检漏设备的灵敏度及本底噪声的限制；破坏性内部气氛含量分析法既可以用于小漏率的检测，又可以用来验证氦质谱或累积氦质谱密封性检测的结果；积累型氦检漏法检漏精度较高，可应用于漏率较小的情况。相关技术人员可根据具体的情况，选择适用的检漏方法，以得到准确的测试结果。

[1]GREENHOUSE Hal.电子封装的密封性 [M].刘晓晖，王夏莲，李宠，等译.北京：电子工业出版社，2011.

[2]王庚林，李飞，李宁博，等.去除吸附氦试验及相关标准分析 [J].电子产品可靠性与环境试验，2013，31（6）：16-23.

[3]金毓铨.标准中氦质谱检漏试验判据的研究 [J].电子产品可靠性与环境试验，2011，29（3）：1-3.

[4]王庚林，李飞，李宁博，等.以内部气体质谱分析检测元器件密封性的方法 [J].中国电子科学研究院学报，2014，9（3）：325-330.

[5]王庚林，李飞，李宁博.压氦法和预充氦质谱细检漏固定方案的设计 [J].中国电子科学研究院学报，2013，8（6）：656-660.

[6]王庚林，李飞，王彩义，等.氦质谱细检漏的基本判据和最长候检时间 [J].中国电子科学研究院学报，2013.

[7]牛付林，魏建中.气密封器件内部残存气氛的检测和控制技术 [J].半导体技术，2011，36（1）：84-87.

[8]王庚林，李宁博，董立军，等.NASA《密封性检测现状》研究报告读评 [J].电子产品可靠性与环境试验，2015，33（2）：16-23.

[9]王庚林，李宁博，李飞，等.以氩气为粗漏踪气体的积累氦质谱组合检测方法 [J].中国电子科学研究院学报，2015，10（4）：436-442.

Research on the Detecting Techniques of the Small Leak Rate of Metal and Glass Package Integrated Circuit

LU Si-jia
（CEPREI，Guangzhou 510610，China）

The detecting techniques of the small leak rate of metal and glass package integrated circuit are studied.Firstly，the principles and processes of pressure-filled helium mass spectrometer leak detection method，destructive internal gas content analysis method and accumulative helium leak detection method are introduced.And then，the small leak rate of some test samples are detected through the three methods.Finally，based on the test results，the advantages and disadvantages of the three methods as well as their application scope are summarized，which has important guiding significance for the correct selection of the detection method of the small leak rate of metal and glass package integrated circuit.

integrated circuit；small leak rate；detecting technique

TN 407

A

1672-5468（2016）04-0001-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2016.04.001

2016-01-29

2016-07-20

卢思佳 （1987-），女，广东广州人，工业和信息化部电子第五研究所元器件检测中心助理工程师，从事电子元器件检测工作。