什么情况下才能确保真正的气密性?

气密密封和封装可防止湿气和气体渗透,有助于避免电子元件过早发生元件或系统故障。但是气密性到底意味着什么?它如何定义和测试?气密和准气密封装之间的区别是什么?

“气密”这个词经常被错误使用。它经常被认为是“密不通风”等词语的同义词,但其正式定义是指一种气密性的密封装置,可防止湿气和有害气体渗入到被密封的电子封装中。它也表示这样的封装可防止气体、液体或其他物质逸出。

 

湿气如何影响电子元件?

电气壳体或系统内部即使存在极少量的水蒸气,也会损害封装电气或光学组件的性能和可靠性,例如半导体芯片。因此,内部湿度必须保持足够低,以避免冷凝,因为这可能会对敏感电子元件造成很严重的后果,导致组件或整个系统发生故障。这类后果包括

  • 化学腐蚀,导致金属互连部分损坏
  • 导体/引脚间漏电
  • 金和银的枝状生长,而导致的电气短路
  • 光子元件中的光散射或波长偏移

 

适当的气密封装和密封材料: 玻璃、金属、陶瓷

只有玻璃、金属和陶瓷制造的封装和密封件可以确保是气密的。这些都是无机材料,几乎不会老化,而且固有渗透率接近零。根据设计和应用的不同,采用这些材料制造的高质量气密封装可将封装内的水分含量保持在所需的 5000 PPM(百万分率)阈值以下多年,甚至数十年(参见图 1)。

玻璃金属之间的气密密封

玻璃气密密封可提供可靠、不可渗透的导体绝缘性,同时实现电力或信号传输。

“气密性”的定义

用于确定气密性的公认试验为“MIL-STD-883 测试方法 1014”。这种方法过去主要用于测试军事、航空航天和三类医用植入物中与安全相关的微电子元件,如今也被广泛用作汽车安全气囊、工业和能源甚至消费电子产品等应用中的可靠性实验。

要达到气密标准,封装腔体的内部水分含量在设备的整个使用寿命期间不得超过 5000 PPM。在 5000 PPM 时,露点远低于冰点,使得所有残留水分形成冰晶,不会导致腐蚀。与之相比: 甚至在相对干燥的湿度下(例如 8000 PPM),封装内也会在5°C左右的温度下形成冷凝物。

图表显示玻璃金属气密密封件使水分含量保持在临界水平以下

插图 1: 玻璃金属气密密封件的设计目的是在设备的使用寿命期间使水分含量保持在临界水平以下。

如何测试气密性

测试密封封装或系统的气密性的最常用方法是“微量泄漏”测试,即测量作为示踪气体的氦气从封装中逸出的速度。在这种测试中,封装处于很高的氦气压力下,如果有任何泄漏,氦分子就会渗入到壳体中。然后,封装被泵送到一个真空测试室中,这里可以检测逸出的氦气。根据测得的氦气泄漏率计算标准泄漏率(适用于25°C和大气压的“正常”运行条件)。

如果封装暴露在氦气压力下的时间不够长,或者受到影响太大导致氦气立即逸出,微量泄漏测试可能会导致得出组件气密的错误结论。因此还需要进行“气泡”或“总量泄漏”测试来检测严重泄漏情况。

使用氦气测试方法甚至可以检测到非常微小的泄漏。但是这只能在实验室条件下进行,并且需要很长的抽气和测量周期。此外,空腔/容积较小的封装要求更高的特定气密性,否则这种封装会比体积更大的封装更快地达到 5000 PPM 阈值。因此,特定的气密性数值取决于测试条件和封装设计。

 

近气密、准气密或非气密

当使用“近气密”、“准气密”、“几乎气密”或“非气密”封装这些词汇时,意味着制造封装的材料是聚合物材料或塑料(例如液晶聚合物 LCP),而不是玻璃、金属和陶瓷。无论封装被称作近气密还是准气密,根据上述定义它们都是非气密的。

聚合物和环氧树脂: 高渗透率和自然老化

尽管许多日常应用使用聚合物、环氧树脂或 PEEK(聚醚醚酮)作为密封或封装材料,但它们不能提供真正的气密性,都是非气密的。

这些材料的主要缺点是它们都是有机物,这意味着它们具有很高的固有渗透率。它们会随着时间自然老化,最终使水分渗入到密封系统中。这种老化过程在高温、高压或化学品等环境影响下会更快速地进行,导致密封材料引起严重的泄漏问题。

此外,如果在光固化或操作过程中发生气体溢出,可能会损害周围环境,导致蒸气压力、水分含量和冷凝处于危险水平。

在实践中,这意味着非气密封装通常用于可靠性较低且操作要求较低的应用。另一方面,气密密封组件可满足对使用寿命、恶劣环境可靠性以及性能和效率提高的更高需求。

老化的夹子
就像由于暴露于自然环境而损坏的晾衣夹子一样,基于聚合物的封装材料会随着时间而变脆并自然磨损,尤其是暴露于恶劣的环境条件下时。

为什么有机封装的氦泄漏测试具有误导性

对于由聚合物、PEEK 或塑料制成的封装,氦气微量泄漏测试方法无法提供可靠的结果,主要原因如下: 它可以测量泄漏,但无法测量渗透,特别是无法证明有机材料随着时间具有的高渗透率,这比金属、玻璃和陶瓷要高几个数量级。这意味着,仅仅因为只暴露于非常短的测试周期,有机封装在测试中可能表现得非常“氦气密封”。由于聚合物材料具有固有的扩散和吸收特性,而且渗透传导率很高,非气密封装在短短几天到几周后就可达到水分含量临界值。这是由于水和其他气体在聚合物结构中的扩散引起的。

 

结论: 采用密封件的决定

决定采用真正气密还是非气密封装通常取决于组件对湿气和有害气体的敏感性、性能要求、技术设计规范和运行条件。很多时候,气密性或特定泄漏率可能不是固定的质量要求,但气密密封可以有助满足其他需求,例如耐受极端温度或压力、长使用寿命、提高性能或效率,或者同时满足所有这些需求。

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Elisabeth Fey, Global Marketing Communication Electronic Packaging
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