气体的失效与金属封装密封

气体的失效与金属封装密封

1金属封装密封器件金属封装是用金属制成的。芯片可以通过外壳或外壳插入。大多数采用玻璃-金属密封技术的电子密封形式。它广泛用于混合电路尤其是微波器件的封装,有很好的气密性,尤其是在军事及航空航天领域更是用途广泛。传统的金属封装材料包括Fe、Cu、Mo、W、Ni等的合金,管壳多采用镀金工艺。内部气氛对密封电子元器件的性能、寿命和可靠性有重要的影响,如果内部水汽含量过高,或同时还有其它的有害元素,可导致器件失效或性能参数不稳定。主要表现在:加速对电路的腐蚀作用,造成密封腔内部环境的恶性污染,形成电路的短路或烧毁,导致电路失去应有的功能作用以及影响电路的正常转换等。氢气作为电子元器件制造、加工过程中的一种重要气氛,不可避免地会变成金属封装密封器件内腔的残余气体,参与了其部分失效过程。氢气的存在可能导致水汽的增加,还会引起金属材料性能的变化,特别是对砷化镓微波器件性能和参数稳定性的影响较大,应引起国内有关人员的注意。2氢的来源是密封装置中的密封装置2.1密封腔中的氢气源对于密封良好的金属封装密封电子元器件,密封腔内部氢气的直接来源如表1所示,其中最主要的是铁合金封装材料。2.2社区法封装材料中氢的主要来源是其制造过程,如:1)封装采用的金属材料在冶炼过程中进入炉内,其中的矿石、炉渣、空气中的水蒸气分解形成氢气;2)加工封装材料时,以氢气作为工艺气氛或保护气氛的工艺过程,如脱碳(一般为1050℃氢气气氛下保温30min);3)封装外壳在电镀前必须经过酸洗,酸与金属表面氧化膜发生化学反应,与金属产生电化学作用,整个过程相当于在酸中浸泡充氢;4)封装外壳在电镀过程中,在阴极表面沉积金属镀层的同时,常伴随着析氢的副反应的发生。氢气可以以气体形式吸附到材料中,但主要是分解为氢原子进入金属,反应如下:这个反应的吉布斯自由能变化为:平衡时ΔG=0,则:其中CH为氢浓度(ppm),ΔH为反应热(kJ/mol),P为氢分压(P),ΔS为熵变(exp[(ΔS/R≈1])。氢溶解在金属中是吸热反应,ΔH>0,CH随温度的升高而升高,室温时约为10-3ppm;对于能够生成氢化物的金属及合金,生成氢化物是放热反应,ΔH<0,CH随温度的升高而下降,室温时约为102ppm。3关于研究内容的分析近年来,国外对有关氢效应影响元器件性能和可靠性的情况进行了研究,但是,国内对此方面的研究却比较少。氢直接参与部分元器件的失效过程,如在密封封装的场效应晶体管(MESFET)、赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)、磷化铟高电子迁移率晶体管(InPHEMT)等器件中,都发现了与氢有关的性能退化现象。3.1器件封装残余气氛的影响氢气能够参与密封器件内部水汽的形成。游离氢与游离氧的直接反应需要很大的激活能,一般不容易发生。但是在一些金属封装器件中,封装材料中排出的氢气能够与金属氧化层发生反应,如下:其中X代表金属元素,XO为金属氧化物。通过热力学计算可知,银、锡、铅、镍的氧化物容易与氢气发生反应,而铝、硅的氧化物则很难与氢气发生反应。尽管金不容易被氧化,但是内部有金镀层的镍金属封装也会发生这一现象。其机理如图1所示,在未进行器件封装前,封装材料的镍扩散到金镀层表面,暴露在空气中后被迅速氧化。器件封装以后,环境条件变化时,氢原子可以生成氢气,从封装材料中缓慢排出,还原氧化镍生成水汽。水汽逐渐增多到一定的程度,就会导致芯片电性能劣化,金属被腐蚀,以及金属离子迁移等失效模式。在这些失效模式中,水汽的增加会伴随内部残余气氛中氢气含量的减少。表3为同批次失效器件与正常器件样品内部残余气氛的对比。可以看出,失效器件比正常器件的水汽含量高7730ppm,氢气含量低8500ppm。可推断失效器件密封腔中过量的水汽来源于氢气。2.2碳氢化中气体的形成机理在一般情况下,进入材料的氢会使材料产生氢损伤。氢能够促进位错发射、增殖和运动,氢气团能够降低位错间的相互作用,促进材料的局部发生塑性变形。溶解在金属中的氢进入某些特殊区域如第二相界面、空位团会复合为氢气或者生成其它气体,当气体压力等于或超过材料能承受的强度时,就会形成微裂纹,并且很难被发现,造成质量隐患。在一定条件下,微裂纹扩展形成宏观裂纹,虽然对器件性能有影响,但不会像对结构材料的机械性能一样有致命性的影响,也会导致封装外壳密封性变差,环境气氛进入密封腔而引起器件失效。2.3塑性和韧性下降很多金属如钛、铂、钯,能够形成稳定的氢化物,氢化物是一种脆性相,使材料的塑性和韧性下降。如果在失效器件中观察到氢化物的形成,一般都会对其失效过程有重要的影响,甚至是主要的失效原因。如图2所示,某集成电路中的钛薄膜电阻被氢化,体积膨胀而变形,电阻率发生变化,集成电路的性能也受到影响。2.4阀值电压漂浮的原因-tih具有能生成氢化物金属的栅极的器件会由氢致压电效应而导致器件阀值电压漂移。图3以栅极结构为Ti/Pt/Au,半导体为[011取向的HEMT为例,描述氢化带来的应力引起的压电效应的性能退化的机理。氢气从金层或者铂的边墙扩散进入栅结构,铂催化氢气分解为氢原子,氢原子与钛反应生成氢化物,体积膨胀约15%(γ-TiH),栅极受到压应力的作用,下面的异质结构则受到拉应力的作用。由于压电效应,晶体受力形变之后在力的垂直方向产生束缚电荷,压电极化电荷导致阀值电压漂移。另外,尤其对于半导体为取向的器件,当栅极饱和后,氢原子扩散到半导体中,还会导致阀值电压的第二次下降。对于半导体为取向的器件,阀值电压漂移的程度ΔVT与栅长LG、温度T和时间t有关系。LG越小而ΔVT越大,成为制约半导体器件栅长减小的问题之一。2.5在氢效应的影响下失效物理过程氢对半导体功能可靠性的影响比较复杂。氢能与半导体的缺陷态结合形成饱和键,钝化内部缺陷态,尤其是在Si-SiO2的界面。但是在器件工作的饱和区,氢化则会导致性能退化。在一定的偏置电压下,GaAsPHEMT表现为漏电流下降,而InPHEMT大部分时候表现为漏电流上升,还有可能出现漏电流下降。氢效应对器件的影响并不是固定的,一定时间后即使还在氢气环境下性能也可能会有所回升,但是并不能回到初始状态。可能的失效物理过程为:a)在掺Si的GaAs器件中,氢气解离成原子态的氢,扩散进入器件沟道形成SiH,进而抑制沟道中的施主Si,对施主的抑制会降低沟道载流子的浓度,降低漏极电流、跨导和增益。b)氢原子进入金属栅与半导体接触的界面,影响界面态,进而改变金属栅与半导体接触的肖特基势垒,在一定栅偏压下会出现漏电流改变。Decker给出了失效标准定为饱和漏源电流(Ids)改变10%情况下的失效物理方程:其中t为失效时间(min),T为热力学温度(K),P为氢气分压(H2%*7.6),k为玻尔兹曼常数(8.615*10-5eV/K),Ea为激活能(eV)。失效时间与环境温度和氢气浓度有关。3碳化硅材料克氏原螯虾a)针对氢的主要来源金属封装材料,可以开发氢吸附率比较低的封装材料和镀层,并在封帽前对封装材料进行高温烘烤,有些时候真空也是除氢的手段。在进行完可能引入氢的每道工艺过程后最好都立即进行高温烘烤除氢,以减少密封后封装材料氢的释放量。封帽前高温烘烤除氢是目前在工艺中采用的主要手段,比较有效但是不能完全去除封装材料中的氢。氢气从封装材料中排出是一个缓慢的过程,密封后,氢气仍会从金属材料中释放出来。对器件镀金金属封装进行不同时间长度的排气实验,对表2的分析可以看出,在125°C下,同批样品3的668h烘烤后水汽和氢气的含量比样品2的336h烘烤后还要高,证明125°C下336h烘烤不足以使器件封装材料中的氢完全排除。b)针对烘烤不能使封装材料中氢气完全排除这一现象,我们可以在气密性封装中使用氢吸收材料,在氢气从封装中溢出后对其进行吸收。这种材料需要在密封腔中不可逆地吸收氢气,不引入与氢气或其它气体发生反应而生成水汽等对器件有害的气体,能够充分地吸收氢气,并且具有良好的机械、热性能,目前市场上有一些GaAs器件使用铂、钯以及PdO结合水汽吸收剂作为氢气吸收剂产品。c)针对氢气对微波器件中的金属的作用,可以改用不与氢气发生反应的金属材料作为器件的栅极和其它元件,如使用不包含Pt、Ti或Pt/Ti结构的栅极,目前有对应用W或者Mo等金属的一些研究。4影响电性能的因素密封腔内部气氛中的氢气对金属封装密封电子元器件,尤其是砷化镓微波器件有重要的有害影响。氢气从封装材料中缓慢地溢出,能够与封装金属的氧化层发