RGA残余气体分析介绍及数据分析

RGA（残余气体分析）介绍及数据分析Page2目录1•RGA分析基础2•RGA测试原理和过程介绍3•RGA测试数据解读Page3Part1RGA分析基础Page4RGA分析基础什么是RGARGA是ResidualGasAnalysis残余气体分析的简称，也称做InternalMoistureAnalysis内部水汽分析，或者IVA(InternalVaporAnalysis)，IGA(InternalGasAnalysis).Page5空气成分正常的空气成分按体积分数计算是：氮(N2)约占78%，氧(O2)约占21%，稀有气体约占0.939%(氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn，大部分都是氩气)，二氧化碳(CO2)约占0.031%，还有其他气体和杂质约占0.03%，如臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、水蒸气（H2O）等。氧气：氩气～22：1氮气78%氧气21%稀有气体0.94%二氧化碳0.03%Page6基本概念湿度空气的干湿程度，或表示含有的水蒸气多少的物理量，称为湿度。单位体积的空气中含有的水蒸气的质量叫作绝对湿度。由于直接测量水蒸气的密度比较困难，因此通常都用水蒸气的压强来表示。空气的绝对湿度并不能决定地上水蒸气的快慢和人对潮湿程度的感觉，因此引入相对湿度。相对湿度指空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比。或湿空气的绝对湿度与相同温度下可能达到的最大绝对湿度之比。也可表示为湿空气中水蒸气分压力与相同温度下水的饱和压力之比，用RH表示。水汽含量指湿空气中的水汽质量与湿空气的总质量之比，或者某固定容积内的水汽体积与该容积之比（ppmv)。Page7RGA与标准RGA目的（MIL-STD-883K_CHG-1Method1018.8)•使用质谱法定量测量金属或陶瓷密封器件内的气体气氛•密封器件内的气体能影响器件长期可靠性•反映密封过程质量：密封气氛（氮气），水汽，氧氩比，氦气，氟碳化合物，氢气•测试是破坏性的Page8RGA与标准TelcordiaGR-1221-COREissue32010Page9RGA与标准TelcordiaGR-468-COREissue22004Page10内部气氛的影响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。如果水汽含量过高，或同时还有其他的有害元素，可导致器件失效或性能参数不稳定。水汽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。Page11Page12内部气氛的影响氢气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。•氢气能够参与密封器件内部水汽的形成•进入材料的氢会使材料产生氢损伤，形成微裂纹，影响器件性能并导致密封性变差，环境气氛进入密封腔而引起器件失效•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。如下图，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Page13Part2RGA测试原理和过程介绍Page14内部气氛分析仪原理内部气氛分析仪采用的分析方法是分压力质谱分析法。其主要原理是从密封器件内部取样后进行电离，然后采用质谱仪进行质量分离计数，最后给出各种气体的分压比。内部气氛分析方法的基础理论包括气体静力学和质谱分析理论。Page15内部气氛分析仪原理气体静力学理论依据理想气体状态方程：PV=nRT即某种气体压强P与该气体物质的量n（摩尔数）、温度T成正比，与体积V成反比。式中，R为理想气体常数。对于封装内部的各种气氛，由于其体积相同（均为封装腔体体积），温度相同（仅考虑平衡状态下的封装内部气氛），因此气体含量（气体物质的量）的比，及各种气体分压力的比：P1:P2:1:Pm=n1:n2:1:nm而宏观上物质的量即微观上分子的数量。因此，对封装内部气氛进行取样，测定这个样本中各种气体分子数量的比例，即可得到封装内各种气氛含量的相对比例。Page16内部气氛分析仪原理质谱分析理论质谱法是一种通过测定离子质荷比来确定物质成分的分析方法，其基本原理是使试样中成分在离子源中发生电离，生产不同质荷比的带正电电荷的离子，经加速电场的作用，形成电子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场或磁场使不同质荷比的离子在空间上或时间上分离，将它们分别聚焦到检测器，进而得到质谱图，从而获得质量与浓度（或分压）相关的图谱。Page17内部气氛分析仪设备介绍内部气氛分析仪由真空系统、取样系统、分析系统、数据处理系统及样品夹具组成。样品刺穿后，利用压力差使样品内的气氛进入分析系统。分析系统为由离子源、分析器、检测器组成的四极质谱仪。离子源将气体分子电离为离子，离子化的分子沿分析器的Z方向进入四极场内，受到X、Y方向电场的作用，实现质量分离，利用检测器测量不同质量的离子的分压强，达到气氛成分分析的目的。Page18IVATestDescription待测密封器件一次一个装载在夹具上，在用针穿刺器件前需将入口室抽真空，从而将气态物质释放到离子源。通过控制输送通道的尺寸，气体以预定的速率流入分析器。在电子束的能量下，电子与样品分子发生碰撞使样品分子电离，可能被打掉一个电子形成分子离子，也可能发生化学键断裂形成碎片离子。根据分子离子可以确定化合物分子量，根据碎片离子可以得到化合物结构。Page19IVATestDescription离子从离子源进入由四个棒状点状形成的四极电场（质量分析器），在时变电场的作用下产生振动，四极场只允许一种质荷比的离子通过，其余离子则振幅不断增大，最后碰到四极杆而被吸收。通过四极杆的离子到达检测器后被检测。改变电场电压值，可以使另外质荷比的离子顺序通过四极场，实现质量扫描，检测器检测到的离子就会从m1变化到m2，即得到m1到m2的质谱。得到的信号由电子倍增器检测器转化放大，经过计算机处理后得到质谱图Page20IVA应用范围Page21IVA应用方法SealIntegrity很多密封失效但没有通过标准检漏发现的，可以通过IVA确认是否有漏以及何时何地发生的HumidityConcentration氧化，漏电，金属迁移..超过5000ppm的湿气可能会损坏器件。来自外部或者内部生成的水汽，都是众所周知的失效媒介且是唯一最重要需要监控的物质SealingGasCompositionandPurity监控密封环境（手套箱等）确认气体纯度或比例很重要，比如氮气的纯度CleaningProcessEffectiveness制造过程的残余物或溶剂，可以证明清洁工艺较差MaterialStability产品生产中的材料能够与水汽、氢气或氧气反应生成不希望得到的物质。某些材料可能不支持升高温度（比如burn-in），将发生分解。IVA能测量出反应副产物及脱气的有机物，还可与联用OutgassingStudies和GC/MS来区分混合的物质以及识别来源Page22Pass/FailCriteriaThefollowingdetailsshallbespecifiedintheapplicableMilitaryspecificationoracquisitiondocument:a.Themaximumallowablewatervaporcontentifotherthan5,000ppmv.b.Themaximumallowableoxygencontent,ifotherthan10,000ppmv.c.Themaximumallowablefluorocarboncontent,ifotherthan50ppmv.d.Allothergascontentsthatrepresentaspecificdevicefailure.Page23Part3RGA测试数据解读Page24INTRODUCTIONRGA除了关注水汽含量外，其余气体含量还隐藏了大量信息可以用来改善产品质量和可靠性TypicalproblemsthatcanbeidentifiedandeliminatedusingRGAinvolve:Epoxycuringandbake-out(bothunder-andovercuring)Excessivethermalstresses(out-of-toleranceovens,rework,etc.)HermeticityfailuresandleaktestescapeContaminationproblemsHydrogenoutgassing(resultinginmoistureorhydrideformation)Corrosionanddendriticgrowthsources(compoundsotherthanmoisturecanpromotethesephenomena)Sealingenvironmentproblems(sealerleaks,poorheliumcirculation,etc.)Changesinvendormaterialformulations(adhesives,solvents,plating,etc.)Page25数据解读1a:空气，主要包含氮气、氧气、氩气、二氧化碳，少量水汽（水汽含量不同气候时变化较大），产品在其他气氛中密封时如果漏了就能发现空气成分，关键要素是氧气：氩气=22：11b:纯氮，含少量氩气（100-200ppm），如果有更多的氩气并伴随氧气可能暗示存在泄漏1c:氮气氦气混合物（90：10），很多hybrids会在该气氛下密封，氦气作为一种示踪气体用来提供测漏灵敏度Page26产品基材是Kovar可伐合金(铁镍钴合金)焊接密封在氮气环境中进行少量的二氧化碳和水汽来源于有机残余物如电镀时用的有机增亮剂，水汽也有可能来自一些小划痕（形成毛细管吸水，在密封时或受热后逸出）产生大量氢气，来源于基材（含铁合金）电镀工艺Page27气密性测试通过，但RGA发现大量的水汽、氧气、氩气、氦气和氟碳化合物，则说明器件漏了（漏率不够严，或者经过了高温高压）11a检漏合格，但RGA显示不是密封的；显著含量的氦气和氟碳化合物伴随相对低含量的水汽、氧气、氩气说明器件不是在任何条件下都漏；典型测试爆炸压力会造成壳体暂时性的密封性丧失，最有可能是扰乱玻璃-金属密封件的晶间氧化物边界，在真空或热压力下测试物质很容易就进到壳体内11b检漏合格，氧氩比~22，有大量的氧气氦气以及水汽，没有氦气和氟碳化合物，说明器件还是漏的，这种情况一般是由温度循环造成的11c是a和b综合结果，显示出这些结果的器件被称为“单向泄漏”（OneWayLeakers），表明湿气和其他气体可能泄漏到器件中而不会泄漏，这种情况可能更准确地被称为“间歇性的漏洞”Page28存在氦气和氟碳化合物，但氧氩比非~22，说明氧气量减小被反应当测试温度上升时氧气参与胶的热降解，并生产水和CO2该泄漏不仅导致水汽进入，并加速胶的热降解产生额外水汽Page29氢气反应前后的数据14a合格样品，14b失效样品扫描俄歇电子能谱对失效器件盖板的表面分析表明，大量镍扩散到镀金层表面，暴露在空气中快速形成氧化镍层，密封后氢气与氧化镍反应生成水汽。对比数据看出，水汽含量增加伴随着氢气含量的下降。需要强调，水汽的形成并不需要氧气。自由氢气和氧气反应需要大量的活化能，而很多金属氧化物则很容易与氢气。Page30案例1采用MQ5028金属外壳组装的混合微电路试验样品作为器件内腔气氛含量的分析研究对象。该电路内部组装材料主要有PC40磁芯、漆包线、菲磁骨架、电阻、电容等元器件，H37和H70E-2导电胶，裸芯片及基板等。导电胶固化条件为：150℃，30min。组装样品共5只，密封前在平行缝焊设备的真空烘箱中进行