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)部水汽含量過高,或同時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、加工過程中的一種重要氣氛,不可避免地會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程。氫氣的存在可能導(dǎo)致水汽的增加,還會引起金屬材料性能的變化,特別是對砷化鎵微波器件性能和參數(shù)穩(wěn)定性的影響較大,應(yīng)引起國內(nèi)有關(guān)人員的注意。2氫的來源是密封裝置中的密封裝置2.1密封腔中的氫氣源對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源是其制造過程,如:1)封裝采用的金屬材料在冶煉過程中進入爐內(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,以氫氣作為工藝氣氛或保護氣氛的工藝過程,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,整個過程相當(dāng)于在酸中浸泡充氫;4)封裝外殼在電鍍過程中,在陰極表面沉積金屬鍍層的同時,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入金屬,反應(yīng)如下:這個反應(yīng)的吉布斯自由能變化為:平衡時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,室溫時約為10-3ppm;對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,室溫時約為102ppm。3關(guān)于研究內(nèi)容的分析近年來,國外對有關(guān)氫效應(yīng)影響元器件性能和可靠性的情況進行了研究,但是,國內(nèi)對此方面的研究卻比較少。氫直接參與部分元器件的失效過程,如在密封封裝的場效應(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。通過熱力學(xué)計算可知,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發(fā)生這一現(xiàn)象。其機理如圖1所示,在未進行器件封裝前,封裝材料的鎳擴散到金鍍層表面,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,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?？赏茢嗍骷芊馇恢羞^量的水汽來源于氫氣。2.2碳氫化中氣體的形成機理在一般情況下,進入材料的氫會使材料產(chǎn)生氫損傷。氫能夠促進位錯發(fā)射、增殖和運動,氫氣團能夠降低位錯間的相互作用,促進材料的局部發(fā)生塑性變形。溶解在金屬中的氫進入某些特殊區(qū)域如第二相界面、空位團會復(fù)合為氫氣或者生成其它氣體,當(dāng)氣體壓力等于或超過材料能承受的強度時,就會形成微裂紋,并且很難被發(fā)現(xiàn),造成質(zhì)量隱患。在一定條件下,微裂紋擴展形成宏觀裂紋,雖然對器件性能有影響,但不會像對結(jié)構(gòu)材料的機械性能一樣有致命性的影響,也會導(dǎo)致封裝外殼密封性變差,環(huán)境氣氛進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,一般都會對其失效過程有重要的影響,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Ti/Pt/Au,半導(dǎo)體為[011取向的HEMT為例,描述氫化帶來的應(yīng)力引起的壓電效應(yīng)的性能退化的機理。氫氣從金層或者鉑的邊墻擴散進入柵結(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,尤其對于半導(dǎo)體為取向的器件,當(dāng)柵極飽和后,氫原子擴散到半導(dǎo)體中,還會導(dǎo)致閥值電壓的第二次下降。對于半導(dǎo)體為取向的器件,閥值電壓漂移的程度ΔVT與柵長LG、溫度T和時間t有關(guān)系。LG越小而ΔVT越大,成為制約半導(dǎo)體器件柵長減小的問題之一。2.5在氫效應(yīng)的影響下失效物理過程氫對半導(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)對器件的影響并不是固定的,一定時間后即使還在氫氣環(huán)境下性能也可能會有所回升,但是并不能回到初始狀態(tài)?？赡艿氖锢磉^程為:a)在摻Si的GaAs器件中,氫氣解離成原子態(tài)的氫,擴散進入器件溝道形成SiH,進而抑制溝道中的施主Si,對施主的抑制會降低溝道載流子的濃度,降低漏極電流、跨導(dǎo)和增益。b)氫原子進入金屬柵與半導(dǎo)體接觸的界面,影響界面態(tài),進而改變金屬柵與半導(dǎo)體接觸的肖特基勢壘,在一定柵偏壓下會出現(xiàn)漏電流改變。Decker給出了失效標準定為飽和漏源電流(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)針對氫的主要來源金屬封裝材料,可以開發(fā)氫吸附率比較低的封裝材料和鍍層,并在封帽前對封裝材料進行高溫烘烤,有些時候真空也是除氫的手段。在進行完可能引入氫的每道工藝過程后最好都立即進行高溫烘烤除氫,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緩慢的過程,密封后,氫氣仍會從金屬材料中釋放出來。對器件鍍金金屬封裝進行不同時間長度的排氣實驗,對表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其進行吸收。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)而生成水汽等對器件有害的氣體,能夠充分地吸收氫氣,并且具有良好的機械、熱性能,目前市場上有一些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)針對氫氣對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,目前有對應(yīng)用W或者Mo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)