多芯片微波组件的一种控氢方法研究

杨程 胡骏 金家富 邱颖霞

摘 要 砷化镓类半导体器件因其良好的性能在多芯片微波组件中应用广泛。密封组件内部气氛中的氫气对砷化镓类微波器件影响很大。文章通过对吸氢材料应用进行试验，验证了吸氢剂具有控氢成本低、效果优良等优点，其可以作为多芯片微波组件的一种有效控氢方法。

关键词 多芯片微波组件；吸氢剂；控氢

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）226-0117-02

1概述

砷化镓类半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点，在多芯片微波组件中应用广泛。由于氢气作为管壳加工过程中的一种重要气氛，氢气容易成为密封组件内腔的残余气体。密封组件内部气氛中的氢气对砷化镓类微波器件影响很大[ 1 ]。

近年来国内研究氢气对GaAs类器件性能影响的文章越来越多，主要关注点都在器件密封前对封装材料进行排气处理，以控制封装组件内部氢气气氛[1-3]，但对多芯片微波组件内部使用吸氢剂控制封装组件内部氢气氛围的研究却很少。

本文通过对吸氢材料的极限吸氢能力和组件级吸氢效果进行试验验证，研究多芯片微波组件内使用吸氢材料的可行性。

2 吸氢材料应用验证

2.1 吸氢材料吸氢机理

吸氢剂是一种能有效吸附氢气的制剂，用来获得、维持真空以及纯化气体等。根据获得清洁（活性）表面的不同方式，吸氢剂按主体材料可分为三大类：金属氧化物、聚合物和金属基合金。

本文选用的吸氢剂材料为钛基合金，属于金属基非蒸散吸氢材料的一种，非蒸散型吸氢剂无金属蒸散，因此广泛应用在高真空器件中。吸氢剂吸氢过程有两个主要步骤[ 4 ]，示意图如图1所示。

第一步是表面吸附，即氢与吸氢材料接触时，能在其表面通过解离分解为氢原子然后吸附在吸氢材料表面。

第二步是体内扩散，即解离后的氢原子扩散进入金属内部与金属反应形成氢化物，此时氢就以氢原子态进入吸氢剂材料晶格内形成固溶体。氢与钛基合金吸氢材料形成固溶体后，需要在特定的条件（温度）下氢才会从吸氢材料内部释放出来。当吸氢材料温度超过450℃时[ 5 ]，吸氢材料体内的氢才开始释放出来。由于本产品组件设计工作温度较低约为45℃，因此吸氢剂在多芯片微波组件内部表现为单向吸氢。

2.2 吸氢材料工艺匹配性

多芯片微波组件外壳由盒体和盖板组成，其中盒体内已集成装配各种基板和元器件，在盒体内壁进行吸氢材料安装的操作可达性差并且极易损伤到内部元器件，因此选择在盖板内侧进行吸氢剂的安装。

钛基合金吸氢剂具备良好的导热、导电和延展特性，其具有类似于钛合金的物理特性，是一种组织结构稳定的金属材料，熔焊性能优良，吸氢剂厚度较薄可以直接焊接在盖板上，无需外加活化处理和额外加工等工艺过程，与多芯片微波组件组装工艺适配性良好。完成装配后未发现吸氢材料存在分解、粉化脱落的现象，吸氢剂安装安全可靠。

2.3 吸氢材料吸氢能力验证

2.3.1 吸氢材料极限吸氢能力验证

按《吸气剂气体吸放性能测试方案》（GB/T 25497-2010）进行吸气量测试，采用定容法，即利用在恒温下测量一定时间间隔中，某已知容积的容器内的压强变化量据此计算出吸氢材料的吸气量。

吸氢剂的吸氢速率和吸氢极限总量如表1所示。

通过吸气剂气体吸放性能试验验证了吸氢剂可以吸氢12ml，吸氢剂极限吸氢总量远大于多芯片微波组件内部释氢总含量。

图2为吸氢剂吸氢前与吸氢饱和后的对比图，吸氢剂吸氢饱和后无粉化和微裂纹，并且没有产生多余物，吸氢材料表面也未发现异常点，因此该型吸氢剂能够满足多芯片微波组件对于吸氢材料可靠性的要求。

2.3.2 吸氢剂组件级吸氢效果验证

选取2只氢含量大于6 000ppm多芯片微波组件，在盖板上安装吸氢剂，密封后按多芯片微波组件详细规范进行筛选考核，考核后进行内部气氛检测和吸氢剂的剪切强度测试，测试结果如表2所示。

试验结果表明，加装吸氢剂的多芯片微波组件筛选试验后内部氢含量均低于1 000ppm，吸氢剂吸氢效果明显；吸氢剂剪切强度满足GJB548方法2019.2的要求，吸氢材料安装工艺可靠。

3 结论

通过试验验证吸氢剂装配工艺与组件返修工艺协调性相匹配，安装工艺可靠，加装吸氢剂后的多芯片微波组件内部氢含量可控制在较低水平。因此吸氢剂鉴于其控氢成本低、效果优良可以作为多芯片微波组件的一种有效控氢方法。

参考文献

[1]刘文宝，陈文卿.H2对航天用GaAs器件可靠性的影响[J].质量与可靠性，2010（5）：30-33.

[2]吴文章，白桦，刘燕芳，等.密封元器件中氢气的产生及控制[J].电子与封装，2009，9（8）：34-37.

[3]丁荣峥，李秀林，明雪飞，等.封装腔体内氢气含量控制[J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（2）：1-5.

[4] Martin M， Gommel C， Borkhart C， et al. Absorption and Desorption Kinetics of Hydrogen Storage Alloys[J].Journal of Alloys and Compounds，1996， 238： 193-201.

[5]郭青苗，章芳芳，侯红亮，等.多孔TC4钛合金的吸氢热力学特性的研究[J].航空材料学报，2010，30（2）：24-29.