吴琼瑶

光电耦合器内部气氛控制技术及工艺研究

吴琼瑶

（中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 400060；重庆光电技术研究所，重庆 400060）

为满足尖端领域对高可靠性元器件内部气氛控制的要求，分析了内部气氛的构成及现有内部气氛控制水平，并基于现有工艺，采取多维度内部气氛控制的工艺措施，在各工艺维度上，通过试验研究对工艺条件进行迭代验证，并增加配套控制措施，确定了各工艺维度的条件。经过试验验证，内部气氛控制水平有显著提升，可满足航天高可靠性的控制要求且有较大余量。

光电耦合器；内部气氛；多维度内部气氛控制；迭代验证

光电耦合器较塑封器件具有更高的可靠性[1]，广泛应用于航空、航天等尖端领域[2]。随着整机可靠性等级的不断提高，对涉及元器件可靠性的内部气氛控制能力提出了更高的要求[3]。相应地，空封器件的内部气氛控制技术成为近年的研究热点[4-6]。本文在分析内部气氛构成的基础上，从工艺过程的角度提出了内部气氛控制措施，并经试验证明了其可行性。

1 内部气氛的构成及影响

在光电耦合器的腔体内气氛中，对器件可靠性影响较大的主要包括水汽（H2O）、氢气（H2）、氧气（O2）和二氧化碳（CO2）几种成份。上述成份中，H2O会加速对光耦芯片的金属化层或键合丝的腐蚀，导致电路绝缘性能变差，引起漏电流变大；H2会与O2反应生成H2O，O2自身也会导致材料的氧化；CO2会和H2O反应，形成了酸性环境，进而腐蚀腔体内裸露的金属。

由此，必须控制上述成份的含量以提高器件可靠性。研究表明[7]，必须保证H2O含量小于等于0.3%，H2含量小于等于0.25%，O2含量小于等于0.4%，CO2含量小于等于0.5%，方可保证航天高可靠性的控制要求。

2 现有内部气氛控制水平分析

采用陶瓷体尺寸为6.6 mm×4.9 mm×3.2 mm的SO4光电耦合器作为研究对象，其内腔体积约为16 mm3。

制作60只样品，其内部气氛控制条件包括：管壳除氢温度160 ℃，时间8 h；管壳清洗后用去离子水冲洗次数2次；管壳清洗后烘烤温度为125 ℃，烘烤时间1 h；共晶焊工艺中氢气保护；封装前无高温烘焙和真空烘焙步骤。

分别在生产及检验的不同阶段进行内部气氛检测，数据如表1所示，表中数据为平均值。

数据表明，封装后各成份含量均小于0.2%，但随着环境应力的积累（筛选试验中的环境应力包括150 ℃下96 h的烘烤、﹣55～125 ℃下10次温度循环，以及85 ℃下96 h的电老练，稳态寿命试验中的环境应力包括85 ℃下1 000 h的加电工作），H2O、H2、CO2含量显著增加，最高接近0.8%，不满足航天高可靠性的控制要求。

表1 现有工艺下不同阶段的内部气氛（单位：%）

阶段O2H2OH2CO2 封装后0.041 360.042 160.039 020.165 72 筛选试验后0.066 820.494 00.257 720.776 0 稳态寿命试验后0.112 280.460 540.672 00.515 98

H2O主要来源为管壳和芯片在清洗后烘干不充分导致水汽吸附于表面，另外H2和O2在高温环境下反应产生以及助焊剂含水也是重要来源。H2主要来源为陶瓷管壳制备过程中，由于氢在铁镍合金溶液中具有很高的溶解度，在电镀时，氢会伴随金属一同沉积并存在于镀层和陶瓷表面。O2主要来源为共晶焊料烧结过程中析出，由于去除还原气体H2，因此会导致芯片烧结过后析出大量O2，另外封装环境中的O2和镍金表面吸附的O2也是重要来源。CO2主要来源为共晶烧结过程中的助焊剂以及烧结后残留的助焊剂在高温下氧化产生，并吸附于焊接面和管壳表面，封装环境中的O2也是重要来源。由此，可以使用针对性的工艺措施进行解决。

3 控制内部气氛的工艺改进措施

采取多维度内部气氛控制工艺措施，并开展了相应的研究。

3.1 管壳除氢

管壳除氢通过高温烘烤使残留H2提前溢出，以减弱对内部气氛的影响。经过试验研究，将除氢的条件按160 ℃下8 h、200 ℃下12 h、240 ℃下24 h的条件进行迭代验证，并确定为除氢条件。

3.2 管壳清洗

管壳清洗主要是减少管壳上有机杂质的残留。

经过试验研究，将有机溶剂浸泡和超声时间按10 min、15 min的条件进行迭代验证，将管壳清洗后去离子水冲洗次数按2次、5次、10次的条件进行迭代验证，要求管壳一次性清洗不超过50只，以保证清洗充分，并确定为管壳清洗条件。

3.3 共晶焊烧结

在共晶焊烧结过程中，通过控制H2用量以及焊料的用量减少H2、H2O的残留与释放。

经过试验研究，不断减少H2用量并最终使用纯N2作为保护气体，在焊料涂覆时，将手工涂覆改为丝网印刷，并减小丝网孔径以减薄焊料层，最终确定共晶焊烧结及焊料涂覆条件。

3.4 烧结后清洗

烧结后清洗主要是去掉多余的助焊剂，以控制H2O、O2、CO2的后续释放。

经过试验研究，采用气相清洗以提高助焊剂的去除效果，将气相清洗清洗后去离子水冲洗次数按2次、5次、10次的条件进行迭代验证，要求烧结后4 h内完成清洗，以保证清洗充分，并确定为烧结后清洗条件。

3.5 清洗后烘烤

清洗后烘烤包括管壳清洗后烘烤和烧结后清洗烘烤，主要是去除残存的有机清洗液，以防化学反应导致H2、H2O、O2、CO2的后续释放。

经过试验研究，将清洗后烘烤温度按125 ℃、150 ℃的条件进行迭代验证，烘烤时间按1 h、1.5 h的条件进行迭代验证，并确定为清洗后烘烤条件。

3.6 封装

经过试验研究，在封装前增加150 ℃下的高温真空烘焙过程，以促使管壳及金属化表面吸附的H2、H2O、O2、CO2气体有效释放，并将烘焙时间按48 h、96 h、120 h的条件进行迭代验证，确定为烘焙条件。

另外，在封装之前增加气体置换过程，经过8次通氮气、抽真空循环，排除在设备封装空间内的H2、H2O、O2、CO2气体以减少其含量。

4 工艺改进措施的内部气氛控制效果验证

仍采用前述光电耦合器进行验证，制作60只样品，制作过程中采用前述各项工艺改进措施，并分别在生产及检验的不同阶段进行内部气氛检测，数据如表2所示，表中数据为平均值。

表2 工艺改进后不同阶段的内部气氛（单位：%）

阶段O2H2OH2CO2 封装后0.089 820.046 630.017 180.042 54 筛选试验后0.035 400.023 510.012 220.025 67 稳态寿命试验后0.007 540.012 520.009 810.034 72

数据表明，封装后除O2含量接近0.09%外，其余成份含量均在0.05%以下，在经历筛选试验和稳态寿命试验的环境应力后，各成份含量均在0.05%以下，较工艺改进前有显著改善，各参数值均满足航天高可靠性的控制要求，且有较大余量。

5 结论

在现有生产工艺的基础上，采取多维度内部气氛控制工艺措施，从管壳除氢、管壳清洗、共晶焊烧结、烧结后清洗、清洗后烘烤、封装等工艺维度上，通过试验研究对工艺条件进行迭代验证，并增加配套控制措施，最终确定各工艺维度的条件。经试验验证，各内部气氛成份的含量较改进前有显著改善，满足航天高可靠性的控制要求且有较大余量，表明工艺改进措施有效，为后续新研项目产品内部气氛控制奠定了基础。

［1］张秀霞.半导体器件和集成电路水汽含量控制的研究［J］.封装工艺与设备，2009，171（4）：48-50，52.

［2］欧熠，王尧，冉龙明，等.一种宇航高可靠光电耦合器内部水汽含量攻关［J］.电子与封装，2017，17（2）：9-10.

［3］陈鹏，欧昌银.微电路封装产品内部水汽含量的分析与控制方法［J］.电子与封装，2004，4（3）：20-23.

［4］肖玲，徐学良，李伟.混合集成电路内部气氛研究［J］.微电子学，2005，4（2）：157-160.

［5］赵瑞莲，欧熠，殷悦.多次烧结、清洗对压焊工艺的影响［J］.半导体光电，2015（5）：746-749.

［6］谈侃侃，杨世福，李茂松，等.混合微电路内部水汽含量控制技术［J］.微电子学，2014，44（4）：546-549.

［7］杨晨，张素娟.密封封装内部水汽含量判据研究［J］.电子元器件与可靠性，2010，28（5）：18-22.

TN622

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.09.054

2095－6835（2020）09－0128－02

吴琼瑶，高级工程师，从事电子元器件的检测技术研究、失效分析及可靠性技术研究。

〔编辑：王霞〕