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器件密封檢測中光學檢漏技術的應用

摘 要: 介紹了全息激光光學檢漏的工作原理, 比較全面地總結了全息光學檢漏的技術特點, 以及集成電路生產企業引入全息光學檢漏的意義。利用光學檢漏技術, 解決了某批器件采用氦質譜檢漏時存在誤判的問題, 證明了光學檢漏技術測量結果可靠, 可以提升生產效率和質量控制
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  摘 要: 介紹了全息激光光學檢漏的工作原理, 比較全面地總結了全息光學檢漏的技術特點, 以及集成電路生產企業引入全息光學檢漏的意義。利用光學檢漏技術, 解決了某批器件采用氦質譜檢漏時存在“誤判”的問題, 證明了光學檢漏技術測量結果可靠, 可以提升生產效率和質量控制水平, 在各方面均優于氦質譜和氟油氣泡檢漏。

  關鍵詞: 光學檢漏; 漏率; 密封元器件; 氣密性;

器件密封檢測中光學檢漏技術的應用

  Abstract: The working principle of holographic laser optical leak detection is introduced, and the technical characteristics of holographic optical leak detection and the meaning of the application of the leak detection technique in integrated circuit manufacturing enterprises are summarized comprehensively. By using optical leak detection technology, the problem of misjudgment when using helium mass spectrometer for leak detection in a batch of devices is solved. And through the application example in production, it is proved that the measurement results of optical leak detection technology is realiable, and it can improve the production efficiency and the quality control level. Besides, it is superior to helium mass spectrometry and fluorine oil bubble detection in all aspects.

  Keyword: optical leak detection; leak rate; hermetic device; air tightness;

  一、 引言

  密封元器件是指在封裝技術過程中, 將蓋板焊接到外殼焊環上, 并且達到了一定的氣密性效果的元器件。良好的氣密性可以有效地防止外界潮氣和其他有害氣體的浸入, 延緩器件的失效。氣密性檢測試驗 (又被稱為檢漏) 可以檢查和確認器件的密封性能。長期的研究表明, 密封元器件內部的氣體, 如氫氣等會對元器件的可靠性產生較大的危害[1-2]。目前也已經發現許多電路失效都是由封裝氣密性差而引起的, 氣密性要求越高, 對封裝質量的要求也越高, 而目前常規的檢漏設備不能達到高精度的檢漏要求[3]。因此, 隨著科學技術的進步和工業生產的發展, 對檢漏方法的要求也就越來越高, 當前針對密封元器件常用的檢漏方法有:氦質譜和氟油氣泡檢漏法。

  氦質譜檢漏儀是以氦氣作為示漏氣體, 對真空設備和密封器件的微小漏隙進行定位、定量和定性檢測的專用檢漏儀器[4]。氦質譜檢漏主要針對漏率小于5 Pa·cm3/s的漏孔, 通過向壓力裝置充入氦氣, 一般加壓2~5 h, 如果器件存在漏孔, 氦氣就會通過漏孔進入器件內部, 通過氦質譜檢漏儀可以檢測到器件內部氦氣, 并計算出漏率;氟油氣泡檢漏主要針對漏率大于5 Pa·cm3/s的漏孔, 其具體的做法通常為:首先, 向壓力裝置中注入低沸點的氟碳化合物液體, 一般加壓2 h, 如果器件存在漏孔, 則液體就會通過漏孔滲入到器件內部;然后, 立即取出器件置于 (125±5) ℃的高沸點氟碳化合物液體中, 使滲入器件中的低沸點液體汽化, 從漏孔逸出;最后, 通過觀察起泡即可確認漏孔的大小和位置。這兩種檢測方法可以有效地保證密封器件的長期可靠性, 但對于一些陶瓷表面粗糙、焊接面不均勻或切割面有微小氣孔等的器件, 氦氣有可能吸附在器件的表面, 造成誤判。本文以某批器件的密封檢測為例, 詳細地介紹了生產中實際遇到的檢漏“假漏”案例, 并利用激光光學檢漏技術來解決了這一問題。光學檢漏技術是采用激光全息照相技術, 利用激光干涉的原理, 通過測量管殼受壓時表面彈性形變來實現氣密檢測的一種檢漏技術[5]。光學檢漏不但可以排除密封器件的“假漏”現象, 還可以精確地計算出密封器件的實際漏率, 光學檢漏結構可靠, 具有高度可重復性, 能夠提高生產效率, 改善封裝工藝控制, 消除后端生產瓶頸問題, 對于提高密封元器件產品的質量和可靠性水平具有較大的意義[6]。

  二、 光學檢漏的工作原理

  光學檢漏可以精確地計算出密封器件的真實漏率, 提高密封元器件產品的質量和可靠性水平, 其主要工作原理如下:

  a) 檢測前檢測室內氣壓等于密封器件內部氣壓, 如圖1a所示;
  b) 隨著檢測室內恒定增壓, 不泄漏密封器件的表面蓋板產生形變, 并保持不變, 如圖1b所示;
  c) 隨著檢測室內恒定增壓, 泄漏密封器件的表面蓋板產生形變, 但會慢慢地恢復到加壓前的平面位置, 如圖1c所示。

  圖1 光學檢漏工作原理

圖1 光學檢漏工作原理

  在進行光學檢漏前, 將密封器件放入檢測室內, 具體的相關試驗條件可參照MIL-STD-883J, 對檢測室施加一定的壓力, 隨著檢測室內恒定增壓, 不泄漏密封器件的表面蓋板產生形變, 并保持不變;相反, 隨著檢測室內恒定增壓, 泄漏密封器件的表面蓋板產生形變, 但會慢慢地恢復到加壓前的平面位置, 設備會根據檢測室內的壓力、加壓時間和密封器件體積等計算出檢測室和密封器件內的壓力差, 根據相關公式, 計算出測量漏率, 再用測量漏率除以檢測室內的壓力即可得到實際的測量漏率 (本試驗檢測結果為對He等效標準漏率) 。測量漏率的計算公式為:

  式 (1) 中:R———測量漏率;

  △Pi———密封器件內的壓力差;

  L———測量長度;

  t———測量時間;

  V———密封器件體積。

  光學檢漏測量可一次性完成粗、細檢漏, 測量值為“實際氦漏率”, 不受密封器件表面狀態的影響, 其測量結果優于氦質譜細檢和氟油氣泡粗檢的結果, 可廣泛地應用于各行各業的密封檢測工作中。

  三、 光學檢漏技術的特點

  a) 試驗結果反映“實際氦漏率”
  光學檢漏技術基于密封器件的形變量來判斷密封器件是否存在泄漏, 主要依靠檢測箱壓力、密封器件的壓力差、加壓時間和密封器件的體積來計算出實際的漏率, 與氦質譜和氟油氣泡檢漏相比, 其不受器件表面狀態的影響, 更能體現密封器件的漏孔的大小, 試驗結果更加貼近“實際氦漏率”。

  b) 同時進行粗、細檢漏
  光學檢漏過程中會向檢測箱內增加恒定壓力, 隨著檢測室內的壓力增加, 不泄漏密封器件的表面蓋板產生形變, 并保持不變;相反, 隨著檢測室內的壓力的增加, 泄漏密封器件的表面蓋板產生形變, 但會慢慢地恢復到加壓前的平面位置, 因此, 通過觀察器件表面蓋板的形變情況就可以一次性地完成密封器件的粗、細檢漏。

  在檢測過程中, 光學檢漏的試驗用時要遠遠地小于氦質譜和氟油氣泡檢漏的用時, 因而其效率比氦質譜和氟油氣泡檢漏的更高。

  c) 兼容多種電子元器件
  光學檢漏技術基于密封器件的形變量來判斷密封器件是否存在泄漏, 不受器件表面狀態的影響, 所以更適用于多種規格、不同形狀的電子元器件, 例如:光電元器件、半導體元器件、微波元器件、航空航天元器件和高密封性混合元器件等。

  d) 美軍標MIL-STD-883 (E/F/G) 認可批準
  光學檢漏通過了美軍標MIL-STD-883 (E/F/G) 的認可批準, 目前我們國內用的GJB 548B-2005也是等同采用MIL-STD-883, 所以光學檢漏同樣適用于國內相關標準的檢驗。

  四、 引入光學檢漏的意義

  引入光學檢漏技術的意義主要包括以下幾個方面的內容:

  a) 光學檢漏可以同時實現粗檢漏和細檢漏, 大大地提升了生產效率和質量控制水平, 既能夠滿足小批量檢測的需要, 也可以滿足產品在線、全矩陣的檢測需要;
  b) 光學檢漏的實時檢測結果為封裝工藝控制帶來了更多的便利;
  c) 光學檢漏可以檢測已經安裝到電路板上的元器件;
  d) 光學檢漏檢測自動完成, 能夠降低成本, 提高產品的可靠性。

  五、 生產應用案例

  某批器件的外殼采用日本京瓷公司生產的PGA717, 蓋板采用美國Williams公司的產品, 外殼鍍金層的厚度≥1.3μm;蓋板表面鍍金, 金錫合金焊料 (Au80Sn20) 提前預置, 如圖2所示。

  圖2 Williams公司蓋板

圖2 Williams公司蓋板

  其封蓋工藝采用的是熔封焊接工藝, 設備采用美國BTU公司的六溫區鏈式熔封爐, 如圖3所示。

  圖3 六溫區鏈式熔封爐

 圖3 六溫區鏈式熔封爐

  1、 現象概述
  該批次器件封帽后的密封試驗采用氦質譜細檢, 接收樣品的數量為12只, 其中不合格的樣品有11只, 樣品具體的測量漏率如表1所示 (判據小于5.1×10-3 Pa·cm3/s) 。

  表1 測量漏率

表1 測量漏率

  對失效器件進行低倍檢測, 發現器件的焊料外溢均勻, 焊接質量合格;進行X射線檢測, 發現器件焊接區域的焊接面均勻, 內部空洞率滿足相關要求, 需要對其進行相應的工藝技術研究。

  2、 原因分析
  對失效器件進行低倍外觀檢測和X射線空洞檢測后, 發現器件的焊接質量和焊接區域焊接面的內部空洞率滿足相關要求, 技術人員通過對人、機、料、法、環等方面進行各項分析后, 將主要原因定位在了焊接方法和器件表面吸附氦造成誤判, 并進行了一系列的試驗驗證, 所得到的結果如表2所示。

  表2 試驗分組情況

表2 試驗分組情況

  通過試驗1的測量結果可以看出, 電路開蓋時, 直接進行氦質譜細檢, 檢測結果不合格, 初步判斷器件失效與器件本身有關;試驗2、3、4主要針對器件的表面狀態沾污、氣孔等可吸附氦氣, 在檢測時氦氣從器件表面逸出, 造成誤判;試驗5、6主要針對器件的焊接質量, 重新開帽和對焊接面表面處理后, 細檢均不合格。

  隨后技術人員對失效的11只器件進行了氟油粗檢試驗, 得到的結果如表3所示。

  表3 粗檢檢測結果

表3 粗檢檢測結果

  從表3中可以看出, 11只失效器件的氟油粗檢結果全部合格, 通過對以上試驗結果進行分析, 技術人員將問題主要定位在氦質譜細檢時, 11只失效器件存在“誤判”的可能, 但仍需進一步地驗證。

  3、 光學檢漏分析
  取本批8只失效器件, 進行激光檢漏試驗, 具體的試驗條件為采用壓力0.344 8 MPa加壓1 h (參照MIL-STD-883J) , 最終檢測結果為等效標準漏率 (對He) , 如表4所示。

  表4 光學檢漏試驗結果

表4 光學檢漏試驗結果

  由表3-4可以看出, 8只失效的器件的漏率都小于5.1×10-3 Pa·cm3/s, 全部合格, 光學檢漏避免了氦質譜檢漏存在的“誤判”的問題, 同時也更加真實地反映了器件的真實漏率。

  六、 結束語

  采用光學檢漏, 解決了某批器件采用氦質譜檢漏時存在“誤判”的問題, 其測量結果真實地反映了器件的漏孔大小, 更加貼近實際值, 測量結果可靠。光學檢漏可以同時實現粗檢漏和細檢漏, 大大地提升了生產效率和質量控制水平, 既能夠滿足小批量的檢測需要, 也可以滿足產品在線、全矩陣檢測要求。光學檢漏無論在檢測結果還是生產效率、質量控制方面均優于氦質譜和氟油氣泡檢漏。此外, 光學檢漏還得到了美軍標MIL-STD-883 (E/F/G) 的認可批準, 可廣泛地應用于各行各業的器件密封檢測工作中, 用于提高密封元器件產品的質量和可靠性水平。

  參考文獻

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  [5]王正義, 吳小紅.氣密性封裝的光學檢漏[C]//全國混合集成電路學術會議, 安徽黃山, 2005:367-372.
  [6]帥家盛.先進的光學檢漏技術[C]//中國真空學會質譜分析和檢漏專委會第十六屆年會暨中國計量測試學會第十一屆年會, 成都, 2011:187-198.

    論文來源參考:[1]馮小成,賀晉春,荊林曉,井立鵬,李洪劍.基于全息激光的光學檢漏技術研究[J].電子產品可靠性與環境試驗,2018,36(04):7-11. 轉載請注明來源。原文地址:http://www.gyxbg.com.cn/html/zhlw/20191016/8206933.html   

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