Проверка герметичности герметично запечатанных электронных компонентов

Герметично запечатанные электронные компоненты, такие как МЭМС, кристаллические осцилляторы и полупроводниковые устройства, используются в широком спектре приложений.

Влажность и вязкость газа-заполнителя значительно влияют на работу МЭМС-устройств и герметично запечатанных электронных компонентов. Неисправность из-за коррозии внутренней схемы из-за влажности и изменения вязкости газа влияет на работу и безопасность. Поэтому МЭМС-устройства находятся в вакууме или герметично запечатаны инертным газом для поддержания стабильной работы в течение длительного времени и предотвращения неисправностей.

Для обеспечения надежности закрытия и герметизации требуется опыт запайки и точный контроль утечки. Обычно для проверки герметичности МЭМС и других устройств требуется комбинация двух типов измерений, а именно, грубого измерения утечки и точного измерения утечки, поскольку один испытательный контроль на герметичность закрытых МЭМС и других устройств не может охватить широкий диапазон утечки.

Метод испытания погружением (фторуглерод + гелий) и метод испытания (воздух + гелий) описаны ниже.

Погружая испытуемый образец в фторуглерод и наблюдая образование пузырьков, оператор определяет крупную утечку. Поскольку сложно численно выразить уровень утечки по пузырькам, необходимо проводить сравнение измерительных диапазонов испытаний на утечку гелием и фторуглеродом, так как может остаться диапазон, который не покрывается ни одним из этих испытаний. 

С другой стороны, манометрический метод с контролем диференцильным давлением не пропустит дефектные изделия, так как может перекрывать измерительные диапазоны испытания на утечку гелием и испытания на утечку воздухом.

Испытание на утечку погружением

Измерение утечки при испытании погружением имеет риск человеческой ошибки, и уровень утечки не может быть численно выражен.  Когда значение уровня утечки недоступно, предельное значение утечки для удаления дефектного образца неясно.

Есть возможность пропустить дефектные детали, когда минимально обнаруживаемый уровень утечки не может быть измерен методом, описанным выше. Гелий может быть выветрен, и испытуемый образец может не быть проверен корректно, когда внутренний объем совсем мал, например, 0,1 мм3.

Испытание на утечку методом измерения дифференциального давления
Грубое измерение утечки выполняется с использованием измерения дифференциального давления воздухом. Уровень утечки испытуемого образца определяется путем помещения образца и эталона в маленькие капсулы и сравнения давления. Максимально точно, можно измерить до эквивалентного стандартного уровня утечки, равного 2×10-7 Па·м3/с.

Испытание на малую утечку
Для обнаружения мельчайших дефектных отверстий, которые невозможно обнаружить с помощью грубого измерения, проводится высокочувствительное измерение с использованием гелия вместо воздуха.

Перед началом измерения испытуемый образец помещается в камеру (сосуд, заполняемый гелием) и заполняется (бомбардируется) гелием до давления не менее 100 кПа изб. Если в испытуемом образце присутствуют мельчайшие отверстия, гелий будет проникать в образец через эти отверстия, и парциальное давление гелия внутри образца будет постепенно повышаться. После бомбардировки гелием в течение установленного времени испытуемый образец удаляется из камеры. Любой гелий, который проник в испытуемый образец через дефектные отверстия, будет выделяться в атмосферу непосредственно после удаления из камеры. Измерение утечки определяет объем этого выделяющегося гелия.

Количество гелия, проникающего в испытуемый образец, зависит от внутреннего объема испытуемого образца, давления опрессовки гелием и времени опрессовки гелием. Кроме того, по мере уменьшения объема выделяющегося гелия с течением времени уменьшается и объем гелия, который можно обнаружить. Таким образом, контроль за временем после удаления испытуемого образца является критическим для процесса.

Испытуемый образец и время контроля
Время контроля зависит от внутреннего объема испытуемого образца, давления опрессовки гелием и времени опрессовки гелием. Например, рассмотрим время контроля, если внутренние объемы двух испытуемых образцов равны 1,0 мм3 и 0,1 мм3.

Эквивалентный стандартный уровень утечки выражает расход утечки в секунду при разности давлений (100 кПа) при температуре 25°C, когда на стороне высокого давления - давление атмосферное, а на стороне низкого давления - вакуум. Точное сравнение проблематично, так как расход зависит от приложенного давления и условий измерения (температуры). Однако условия можно стандартизировать, преобразовав их в значения установленного состояния, известные как эквивалентный стандартный уровень утечки, что позволяет сравнивать и рассматривать уровни утечки.

Результаты измерения утечки выражаются величиной объема измерения гелия, прошедшего за время контроля, и не являются уровнями утечки воздуха. Как уже отмечалось, необходимо преобразовать их в эквивалентный стандартный уровень утечки.

Так поток для изделий 1,0 мм3 и 0,1 мм3 при условиях давления опрессовки гелием 500 кПа и времени опрессовки гелием в один час: 
поток падает с уровня 1×10-7 Па·м3/с до 1×10-9 Па·м3/с за 5 часов и за 30 минут для изделий 1,0 мм3 и 0,1 мм3 соответственно.

Следовательно, по мере увеличения времени, необходимого для выхода гелия, окно времени, в течение которого возможно обнаружение, также становится длиннее. Если внутренний объем испытуемого образца уменьшается в 10 раз, время контроля (приблизительно) также уменьшается до 1/10 от предыдущего значения.

В частности, даже при одинаковом эквивалентном стандартном уровне утечки, поскольку количество гелия опрессовки испытуемого образца уменьшается из-за меньшего внутреннего объема испытуемого образца, требуется более короткое время контроля. Поэтому для каждого испытуемого образца необходимо провести предварительное тестирование и строгое управление временем. Из-за крайне малого внутреннего объема MEMS-устройств необходимо выбрать измерительный прибор с высокой точностью и точным управлением временем.