氣體的失效與金屬封裝密封

氣體的失效與金屬封裝密封

1金屬封裝密封器件金屬封裝是用金屬制成的。芯片可以通過(guò)外殼或外殼插入。大多數(shù)采用玻璃-金屬密封技術(shù)的電子密封形式。它廣泛用于混合電路尤其是微波器件的封裝,有很好的氣密性,尤其是在軍事及航空航天領(lǐng)域更是用途廣泛。傳統(tǒng)的金屬封裝材料包括Fe、Cu、Mo、W、Ni等的合金,管殼多采用鍍金工藝。內(nèi)部氣氛對(duì)密封電子元器件的性能、壽命和可靠性有重要的影響,如果內(nèi)部水汽含量過(guò)高,或同時(shí)還有其它的有害元素,可導(dǎo)致器件失效或性能參數(shù)不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)在:加速對(duì)電路的腐蝕作用,造成密封腔內(nèi)部環(huán)境的惡性污染,形成電路的短路或燒毀,導(dǎo)致電路失去應(yīng)有的功能作用以及影響電路的正常轉(zhuǎn)換等。氫氣作為電子元器件制造、加工過(guò)程中的一種重要?dú)夥?不可避免地會(huì)變成金屬封裝密封器件內(nèi)腔的殘余氣體,參與了其部分失效過(guò)程。氫氣的存在可能導(dǎo)致水汽的增加,還會(huì)引起金屬材料性能的變化,特別是對(duì)砷化鎵微波器件性能和參數(shù)穩(wěn)定性的影響較大,應(yīng)引起國(guó)內(nèi)有關(guān)人員的注意。2氫的來(lái)源是密封裝置中的密封裝置2.1密封腔中的氫氣源對(duì)于密封良好的金屬封裝密封電子元器件,密封腔內(nèi)部氫氣的直接來(lái)源如表1所示,其中最主要的是鐵合金封裝材料。2.2社區(qū)法封裝材料中氫的主要來(lái)源是其制造過(guò)程,如:1)封裝采用的金屬材料在冶煉過(guò)程中進(jìn)入爐內(nèi),其中的礦石、爐渣、空氣中的水蒸氣分解形成氫氣;2)加工封裝材料時(shí),以氫氣作為工藝氣氛或保護(hù)氣氛的工藝過(guò)程,如脫碳(一般為1050℃氫氣氣氛下保溫30min);3)封裝外殼在電鍍前必須經(jīng)過(guò)酸洗,酸與金屬表面氧化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng),與金屬產(chǎn)生電化學(xué)作用,整個(gè)過(guò)程相當(dāng)于在酸中浸泡充氫;4)封裝外殼在電鍍過(guò)程中,在陰極表面沉積金屬鍍層的同時(shí),常伴隨著析氫的副反應(yīng)的發(fā)生。氫氣可以以氣體形式吸附到材料中,但主要是分解為氫原子進(jìn)入金屬,反應(yīng)如下:這個(gè)反應(yīng)的吉布斯自由能變化為:平衡時(shí)ΔG=0,則:其中CH為氫濃度(ppm),ΔH為反應(yīng)熱(kJ/mol),P為氫分壓(P),ΔS為熵變(exp[(ΔS/R≈1])。氫溶解在金屬中是吸熱反應(yīng),ΔH>0,CH隨溫度的升高而升高,室溫時(shí)約為10-3ppm;對(duì)于能夠生成氫化物的金屬及合金,生成氫化物是放熱反應(yīng),ΔH<0,CH隨溫度的升高而下降,室溫時(shí)約為102ppm。3關(guān)于研究?jī)?nèi)容的分析近年來(lái),國(guó)外對(duì)有關(guān)氫效應(yīng)影響元器件性能和可靠性的情況進(jìn)行了研究,但是,國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究卻比較少。氫直接參與部分元器件的失效過(guò)程,如在密封封裝的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MESFET)、贗配高電子遷移率晶體管(PHEMT)、磷化銦高電子遷移率晶體管(InPHEMT)等器件中,都發(fā)現(xiàn)了與氫有關(guān)的性能退化現(xiàn)象。3.1器件封裝殘余氣氛的影響氫氣能夠參與密封器件內(nèi)部水汽的形成。游離氫與游離氧的直接反應(yīng)需要很大的激活能,一般不容易發(fā)生。但是在一些金屬封裝器件中,封裝材料中排出的氫氣能夠與金屬氧化層發(fā)生反應(yīng),如下:其中X代表金屬元素,XO為金屬氧化物。通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算可知,銀、錫、鉛、鎳的氧化物容易與氫氣發(fā)生反應(yīng),而鋁、硅的氧化物則很難與氫氣發(fā)生反應(yīng)。盡管金不容易被氧化,但是內(nèi)部有金鍍層的鎳金屬封裝也會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象。其機(jī)理如圖1所示,在未進(jìn)行器件封裝前,封裝材料的鎳擴(kuò)散到金鍍層表面,暴露在空氣中后被迅速氧化。器件封裝以后,環(huán)境條件變化時(shí),氫原子可以生成氫氣,從封裝材料中緩慢排出,還原氧化鎳生成水汽。水汽逐漸增多到一定的程度,就會(huì)導(dǎo)致芯片電性能劣化,金屬被腐蝕,以及金屬離子遷移等失效模式。在這些失效模式中,水汽的增加會(huì)伴隨內(nèi)部殘余氣氛中氫氣含量的減少。表3為同批次失效器件與正常器件樣品內(nèi)部殘余氣氛的對(duì)比?？梢钥闯?失效器件比正常器件的水汽含量高7730ppm,氫氣含量低8500ppm。可推斷失效器件密封腔中過(guò)量的水汽來(lái)源于氫氣。2.2碳?xì)浠袣怏w的形成機(jī)理在一般情況下,進(jìn)入材料的氫會(huì)使材料產(chǎn)生氫損傷。氫能夠促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射、增殖和運(yùn)動(dòng),氫氣團(tuán)能夠降低位錯(cuò)間的相互作用,促進(jìn)材料的局部發(fā)生塑性變形。溶解在金屬中的氫進(jìn)入某些特殊區(qū)域如第二相界面、空位團(tuán)會(huì)復(fù)合為氫氣或者生成其它氣體,當(dāng)氣體壓力等于或超過(guò)材料能承受的強(qiáng)度時(shí),就會(huì)形成微裂紋,并且很難被發(fā)現(xiàn),造成質(zhì)量隱患。在一定條件下,微裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋,雖然對(duì)器件性能有影響,但不會(huì)像對(duì)結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能一樣有致命性的影響,也會(huì)導(dǎo)致封裝外殼密封性變差,環(huán)境氣氛進(jìn)入密封腔而引起器件失效。2.3塑性和韌性下降很多金屬如鈦、鉑、鈀,能夠形成穩(wěn)定的氫化物,氫化物是一種脆性相,使材料的塑性和韌性下降。如果在失效器件中觀察到氫化物的形成,一般都會(huì)對(duì)其失效過(guò)程有重要的影響,甚至是主要的失效原因。如圖2所示,某集成電路中的鈦薄膜電阻被氫化,體積膨脹而變形,電阻率發(fā)生變化,集成電路的性能也受到影響。2.4閥值電壓漂浮的原因-tih具有能生成氫化物金屬的柵極的器件會(huì)由氫致壓電效應(yīng)而導(dǎo)致器件閥值電壓漂移。圖3以柵極結(jié)構(gòu)為T(mén)i/Pt/Au,半導(dǎo)體為[011取向的HEMT為例,描述氫化帶來(lái)的應(yīng)力引起的壓電效應(yīng)的性能退化的機(jī)理。氫氣從金層或者鉑的邊墻擴(kuò)散進(jìn)入柵結(jié)構(gòu),鉑催化氫氣分解為氫原子,氫原子與鈦反應(yīng)生成氫化物,體積膨脹約15%(γ-TiH),柵極受到壓應(yīng)力的作用,下面的異質(zhì)結(jié)構(gòu)則受到拉應(yīng)力的作用。由于壓電效應(yīng),晶體受力形變之后在力的垂直方向產(chǎn)生束縛電荷,壓電極化電荷導(dǎo)致閥值電壓漂移。另外,尤其對(duì)于半導(dǎo)體為取向的器件,當(dāng)柵極飽和后,氫原子擴(kuò)散到半導(dǎo)體中,還會(huì)導(dǎo)致閥值電壓的第二次下降。對(duì)于半導(dǎo)體為取向的器件,閥值電壓漂移的程度ΔVT與柵長(zhǎng)LG、溫度T和時(shí)間t有關(guān)系。LG越小而ΔVT越大,成為制約半導(dǎo)體器件柵長(zhǎng)減小的問(wèn)題之一。2.5在氫效應(yīng)的影響下失效物理過(guò)程氫對(duì)半導(dǎo)體功能可靠性的影響比較復(fù)雜。氫能與半導(dǎo)體的缺陷態(tài)結(jié)合形成飽和鍵,鈍化內(nèi)部缺陷態(tài),尤其是在Si-SiO2的界面。但是在器件工作的飽和區(qū),氫化則會(huì)導(dǎo)致性能退化。在一定的偏置電壓下,GaAsPHEMT表現(xiàn)為漏電流下降,而InPHEMT大部分時(shí)候表現(xiàn)為漏電流上升,還有可能出現(xiàn)漏電流下降。氫效應(yīng)對(duì)器件的影響并不是固定的,一定時(shí)間后即使還在氫氣環(huán)境下性能也可能會(huì)有所回升,但是并不能回到初始狀態(tài)?？赡艿氖锢磉^(guò)程為:a)在摻Si的GaAs器件中,氫氣解離成原子態(tài)的氫,擴(kuò)散進(jìn)入器件溝道形成SiH,進(jìn)而抑制溝道中的施主Si,對(duì)施主的抑制會(huì)降低溝道載流子的濃度,降低漏極電流、跨導(dǎo)和增益。b)氫原子進(jìn)入金屬柵與半導(dǎo)體接觸的界面,影響界面態(tài),進(jìn)而改變金屬柵與半導(dǎo)體接觸的肖特基勢(shì)壘,在一定柵偏壓下會(huì)出現(xiàn)漏電流改變。Decker給出了失效標(biāo)準(zhǔn)定為飽和漏源電流(Ids)改變10%情況下的失效物理方程:其中t為失效時(shí)間(min),T為熱力學(xué)溫度(K),P為氫氣分壓(H2%*7.6),k為玻爾茲曼常數(shù)(8.615*10-5eV/K),Ea為激活能(eV)。失效時(shí)間與環(huán)境溫度和氫氣濃度有關(guān)。3碳化硅材料克氏原螯蝦a)針對(duì)氫的主要來(lái)源金屬封裝材料,可以開(kāi)發(fā)氫吸附率比較低的封裝材料和鍍層,并在封帽前對(duì)封裝材料進(jìn)行高溫烘烤,有些時(shí)候真空也是除氫的手段。在進(jìn)行完可能引入氫的每道工藝過(guò)程后最好都立即進(jìn)行高溫烘烤除氫,以減少密封后封裝材料氫的釋放量。封帽前高溫烘烤除氫是目前在工藝中采用的主要手段,比較有效但是不能完全去除封裝材料中的氫。氫氣從封裝材料中排出是一個(gè)緩慢的過(guò)程,密封后,氫氣仍會(huì)從金屬材料中釋放出來(lái)。對(duì)器件鍍金金屬封裝進(jìn)行不同時(shí)間長(zhǎng)度的排氣實(shí)驗(yàn),對(duì)表2的分析可以看出,在125°C下,同批樣品3的668h烘烤后水汽和氫氣的含量比樣品2的336h烘烤后還要高,證明125°C下336h烘烤不足以使器件封裝材料中的氫完全排除。b)針對(duì)烘烤不能使封裝材料中氫氣完全排除這一現(xiàn)象,我們可以在氣密性封裝中使用氫吸收材料,在氫氣從封裝中溢出后對(duì)其進(jìn)行吸收。這種材料需要在密封腔中不可逆地吸收氫氣,不引入與氫氣或其它氣體發(fā)生反應(yīng)而生成水汽等對(duì)器件有害的氣體,能夠充分地吸收氫氣,并且具有良好的機(jī)械、熱性能,目前市場(chǎng)上有一些GaAs器件使用鉑、鈀以及PdO結(jié)合水汽吸收劑作為氫氣吸收劑產(chǎn)品。c)針對(duì)氫氣對(duì)微波器件中的金屬的作用,可以改用不與氫氣發(fā)生反應(yīng)的金屬材料作為器件的柵極和其它元件,如使用不包含Pt、Ti或Pt/Ti結(jié)構(gòu)的柵極,目前有對(duì)應(yīng)用W或者M(jìn)o等金屬的一些研究。4影響電性能的因素密封腔內(nèi)部氣氛中的氫氣對(duì)金屬封裝密封電子元器件,尤其是砷化鎵微波器件有重要的有害影響。氫氣從封裝材料中緩慢地溢出,能夠與封裝金屬的氧化層發(fā)