掌握可伐4J29 封装外壳氢含量的工艺
刘思栋，申忠科，敖冬飞，樊正亮（南京电子器件研究所）
作者简介：刘思栋，硕士，工程师，紧张从事金属−玻璃外壳封装工艺的研究事情。
文章全文
关于金属外壳气氛氢对砷化镓等器件危害性的研究已经有诸多宣布，对封装外壳气氛氢含量的掌握也越来越受关注。
对付密封哀求高的金属外壳，其在各种器件安装后经由各种办法封帽，形成了一个分外的密闭环境，此密闭环境内的气氛直接与器件打仗，以是气氛的身分和含量都与整体的可靠性密切干系。
对氧气、二氧化碳、水汽等主要组分的掌握目前都比较成熟，但对氢的掌握依旧缺少有效的或者系统的方法，GJB 548B–2005《微电子器件试验方法和程序》中也只有关于水汽的明确哀求。
随着微电子行业的迅速发展，器件可靠性将成为竞争的焦点之一。在芯片及各种器件性能和可靠性都不断提高的背景下，封装外壳及工艺也一定成为主要的一环，而氢的大量存在可能会使器件性能损耗乃至失落效，以是对封装外壳氢含量掌握也应有新的哀求。
关于芯片固定形式、焊料身分、封装办法等对氢含量的影响已经有宣布，本研究只针对可伐金属外壳进行谈论，由于要实现较低氢含量的哀求，首先要担保外壳能知足哀求，否则都是空谈。
目前，考虑到外壳生产后各道安装都可能引入氢，需留余量，对外壳一类较高的标准是：可伐金属外壳和盖板镀金后封帽，再经250 °C × 48 h的高温储存后氢含量(按体积分数计)应小于0.1%。
1 试验条件
(1)外壳和盖板的材质都是可伐4J29，都符合YB/T5231–2005《膨胀合金》的哀求。外壳内腔体积0.5 cm3，侧壁厚2.0 mm，底厚2.5 mm；盖板厚0.25 mm。
(2)紧张工序为：烘烤→密封→储存→检测。外壳密封前经由烘烤除氢，密封后再经由高温储存，目的是使外壳中的氢气逸出，再检测腔体内部的氢含量。
(3)各种烘烤均在立式钎焊炉中进行，气氛选用高纯氮气，温度偏差±1 °C。
(4)检测时，备选件经100 °C烘烤24 h后，再利用IVA-210S型气氛含量剖析仪进行内部气氛剖析。
(5)未特殊解释时，镀层默认为电镀Ni/Au层，Ni层厚度掌握在1.3 ~ 3.0 μm，Au层则为1.3 ~ 3.0 μm。
(6)为确保数据可靠，每组至少做3个样品；未特殊解释时，储存均指250 °C × 48 h的高温储存，气体含量和氢含量均指密封基体或外壳的内腔气体检测结果。
2 氢含量掌握试验
2. 1 制订氢含量考验标准的必要性
从表1可以创造，氢开释量与储存条件密切干系，温度的影响非常显著，在150 °C下储存1 000 h的氢开释量比250 °C下储存48 h少了近40%。
本工艺哀求储存温度比一样平常器件高，如：GJB 548B–2005《微电子器件试验方法和程序》中1008.1稳定性烘焙常用条件C规定的最高温度为200 °C，GJB 2440A–2006《稠浊集成电路外壳通用规范》中关于鉴定考验的稳定性烘焙则规定为150 °C× 1 h。
实际上这些标准更侧重于稽核器件的寿命和性能，目前氢含量考验并没有统一的标准。
考虑到很多器件可能事情5年、10年乃至更久，事情期间芯片产热等都可能造成氢的加速开释，以是理论上而言，制订严格的标准是很有必要的。
2. 2 基体烘烤除氢研究
2. 2. 1 烘烤温度对基体除氢的影响
基体指未镀金的可伐外壳。基体中的含氢量不可忽略，镀金会明显抑制氢的逸散。为了打消基体中氢开释造成器件破坏的隐患，首先稽核烘烤温度对基体中氢开释的影响，结果见表2。
基体未经任何处理时的氢含量约为0.15%，经不同温度烘烤后均小于0.01%。随后稽核经不同温度烘烤后再封帽和250 °C × 48 h高温储存后外壳氢含量的变革，结果见表3。
经由250 °C ×48 h的烘烤开释后，氢含量依旧很高，在0.4% ~ 0.5%之间，远远超出0.1%的限值；而300 °C × 48 h及350 °C × 48 h烘烤后，哪怕经由高温储存，基体内腔测得的氢含量也小于0.01%。
2. 2. 2 韶光对基体烘烤除氢的影响
理论上，在一定范围内烘烤温度的升高和韶光的延长都有利于氢逸散，但实际生产中还须要考虑诸多问题，如温度升高带来设备哀求和本钱的提升，造成加速老化失落效，从而引起可靠性问题，以及时间延长造成的生产效率低落和生产周期掌握改变，等等。
以是，应尽可能在较低温度下利用较短的韶光来知足哀求。从表4可以看出，在300 °C下缩短烘烤韶光，基体经高温存储后的氢含量明显上升，烘烤32 h时，基体中的氢含量依旧在0.1%旁边。
为了使终极的氢含量小于0.1%和肃清基体氢含量带来的隐患，综合烘烤温度和韶光影响，认为可伐4J29除氢的较优条件是300 °C × 48 h。
2. 2. 3 气氛对基体烘烤除氢的影响
从气体溶解与开释、吸附与解吸平衡的角度而言，真空条件下外界氢分压永久靠近零，温度相同时应该更有利于外壳内部氢逸散。
式(1)是空想固溶状态下气体在固体中的溶解度随外界条件变革的关系式。常用的Freundlich等温方程式、Langmuir等温方程式和BET等温方程式分别如式(2)、(3)和(4)所示。
式中，C为气体溶解度(单位：mol/cm3)；S0为溶解度常数[单位：mol/(cm3.Pa)]；p为气体的平衡压力(单位：Pa)；p0为气体的饱和蒸汽压(单位：Pa)；j为气体解离度；qs=为溶解热(单位：J/mol)；R为通用气体常数[8.314 J/(mol.K)]，T为温度(单位：K)；M为单位质量固体上吸附的气体质量；k、n为常数，取决于吸附剂、吸附质的种类和吸附温度；N为1 cm2表面上吸附的分子数；N0为饱和吸附量；a为常数，反响了吸附能的大小；v为单位质量固体上气体的吸附量(单位：mL/g)；vm为单分子层吸附量(单位：mL/g)；c为常数，反响了吸附热的大小。
无论从脱溶还是解吸方面看，增大气体分压时溶解度和体积吸附量都增大，对应烘烤放气过程，相反，减小氢分压一定利于其开释。
但实际上本试验均在氮气氛围中烘烤，逸散出的氢随着设备气体交流排出的能力一定比真空弱，因此有必要比拟真空和氮气氛围下烘烤后氢的开释情形，若差别太大，则应选择真空这种优秀条件。
由表5可知，基体的氢含量确实很高，密封后氢的逸出量为3%，经真空或氮气氛围烘烤后的结果没有明显差异，纵然在高温储存后氢含量也都小于0.01%，可见真空或氮气氛围对分压的影响并不明显。
在烘烤外壳数量有限的条件下，可以认为氮气氛围烘烤也有较好的除氢效果，对设备的哀求也低，以是确定采取氮气氛围烘烤。
由于可伐外壳金属本身能承受较高的温度，400 °C以下的温度基本不会对基体性能造成大的影响，因此烘烤的限定成分较少，通过高温烘烤就能将基体氢含量掌握在较低水平。但电镀后若进行高温烘烤则很随意马虎导致镀层氧化，不利于焊料流淌及键合。
加上金属外壳表面是Ni/Au组合镀层，若烘烤过程中Ni与Au相互扩散严重，也会影响后续可靠性。因此，还需稽核镀后除氢的情形。
2. 3 镀后烘烤除氢研究
2. 3. 1 镀后烘烤温度对除氢的影响
从图1可知，无论晶界扩散还是固体间的互扩散，扩散系数都随温度升高而增大，温度高于300 °C时，Ni与Au的互扩散系数迅速增大，这对可靠性极为不利。
从表6可以看出，200 °C × 48 h烘烤对氢含量的影响很小，但是250 °C × 48 h烘烤将氢含量很显著地降到0.05%以下。
由于从原子运动的角度而言，Ni的扩散与H的开释和扩散相似，都随温度升高而加快，以是提高50 °C就能使结果产生巨大的差异。
2. 3. 2 储存温度对镀后氢含量的影响
基体处理条件与2.3.1节相同，镀后不进行二次烘烤，降落储存温度到200 °C，结果(见表7)氢含量明显低落，进一步解释温度对氢开释影响显著。
3 镀后除氢对可焊性的影响
如前文所述，烘烤对镀层Ni和Au的互扩散及可靠性都有影响。扩散导致的一个直不雅观结果是Ni扩散到表层后发生氧化，造成镀层的可焊性变差，加上镀后烘烤在高温下永劫光进行，因此有必要剖析金层的可焊性是否变差。
从图2可知，金层在氮气氛围下250 °C烘烤48 h后其可焊性变革不大，但在空气中250 °C烘烤48 h后却明显变差。
4 结论
对付可伐金属外壳，密封后采取250 °C × 48 h储存后再检测氢含量的条件是很严格的。在氮气氛围中300 °C烘烤48 h可基本去除基体中的氢；镀后在氮气氛围下250 °C烘烤48 h，终极氢含量可掌握到0.1%以下，知足哀求，也不会对金层的可焊性产生很大的影响。
