北京半导体封测在高真空封装领域，除气（Outgassing）是影响真空寿命的头号杀手。2026年，MEMS真空封装、红外探测器、光电倍增管等器件要求腔体真空度10⁻¹~10⁻³Pa并保持10年以上，但封装材料内部溶解的气体和表面吸附的气体分子会在封装后持续释放，导致真空度下降。封测在真空封装中试线上建立了完整的除气工艺体系，帮助客户解决真空寿命问题。
什么是除气？为什么影响真空封装？
| 气体来源 | 释放机制 | 典型气体 | 释放速率 | 持续时间 |
|---|---|---|---|---|
| 表面吸附 | 物理脱附 | H₂O/CO₂/N₂ | 快（小时级） | 数小时 |
| 表面化学吸附 | 化学脱附 | H₂O/O₂ | 中（天级） | 数天 |
| 材料内部溶解 | 扩散释放 | H₂/N₂/O₂ | 慢（月级） | 数月-数年 |
| 材料分解 | 热分解 | CH₄/CO/H₂O | 持续 | 持续 |
| 渗透 | 气体渗透 | He/H₂ | 持续 | 持续 |
各种材料的除气速率
| 材料 | 除气速率 (Pa·L/s·cm²) | 除气温度 | 除气时间 | 建议 |
|---|---|---|---|---|
| 不锈钢 | 10⁻⁷~10⁻⁶ | 300-400°C | 24-48h | 真空烘烤 |
| 可伐合金 | 10⁻⁷~10⁻⁶ | 300-400°C | 24-48h | 真空烘烤 |
| 铝合金 | 10⁻⁸~10⁻⁷ | 200-300°C | 12-24h | 真空烘烤 |
| 铜 | 10⁻⁷~10⁻⁶ | 300-400°C | 24-48h | 真空烘烤 |
| 陶瓷（Al₂O₃） | 10⁻⁸~10⁻⁷ | 400-600°C | 24-72h | 高温烘烤 |
| 玻璃（Pyrex） | 10⁻⁹~10⁻⁸ | 300-400°C | 24-48h | 真空烘烤 |
| 硅 | 10⁻⁹~10⁻⁸ | 200-400°C | 12-24h | 真空烘烤 |
| 环氧树脂 | 10⁻⁵~10⁻⁴ | 100-150°C | 48-120h | 避免使用 |
| 硅胶 | 10⁻⁴~10⁻³ | 80-120°C | 24-48h | 避免使用 |
| PTFE | 10⁻⁶~10⁻⁵ | 150-200°C | 24-48h | 慎用 |
除气工艺方案
| 方案 | 工艺条件 | 除气效果 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 真空烘烤 | 300-400°C, 10⁻³Pa, 24-48h | 表面+内部气体 | 金属/陶瓷外壳 |
| 氮气烘烤 | 150-200°C, N₂, 24-48h | 表面气体 | 温度敏感器件 |
| 真空+热处理 | 400-600°C, 10⁻⁴Pa, 48-72h | 深度除气 | 超高真空封装 |
| 等离子清洗 | Ar/O₂等离子, 10-30min | 表面有机物 | 键合前预处理 |
| 紫外臭氧清洗 | UV-Ozone, 10-30min | 表面有机物 | 键合前预处理 |
真空寿命预测模型
| 真空度要求 | 无除气 | 表面除气 | 真空烘烤 | 深度除气+吸气剂 |
|---|---|---|---|---|
| 10¹ Pa | 6个月 | 2年 | 5年 | 15年+ |
| 10⁻¹ Pa | 1个月 | 6个月 | 3年 | 10年+ |
| 10⁻³ Pa | 1周 | 1个月 | 1年 | 5年+ |
| 10⁻⁵ Pa | 1天 | 1周 | 3个月 | 2年+ |
吸气剂在真空保持中的作用
| 吸气剂类型 | 材料 | 激活温度 | 吸气容量 | 适用气体 | 应用 |
|---|---|---|---|---|---|
| NEG（非蒸发型） | Zr-V-Fe | 400-600°C | 10-100 Pa·L | H₂/CO/N₂/O₂ | MEMS真空封装 |
| 蒸发型吸气剂 | Ba/Al/Sr | 800-1000°C | 100-1000 Pa·L | 大多数气体 | 真空管/光电倍增管 |
| Ti升华泵 | Ti | 1300°C | 1000+ Pa·L | 活性气体 | 超高真空系统 |
| 分子筛 | Zeolite 13X | 200-300°C | 10-50 Pa·L | H₂O/CO₂ | 中低真空 |
| PdO吸气剂 | PdO | 室温-100°C | 1-10 Pa·L | H₂ | 氢气敏感器件 |
除气工艺流程
1. 来料清洗（溶剂+DI水+超声波）
2. 烘干（120°C, 30min）
3. 真空烘烤（300-400°C, 10⁻³Pa, 24-48h）
4. 冷却（真空下冷却至室温）
5. 等离子清洗（Ar等离子, 10-15min）
6. 快速转入键合腔体（<30min，避免再吸附）
7. 真空键合（10⁻¹~10⁻³Pa下完成封装）
8. 吸气剂激活（如使用NEG，400-600°C激活）
9. 气密性检测（氦检漏）
10. 真空寿命测试（1000h Q值监测）
常见问题与解决方案
| 问题 | 根因 | 解决方案 |
|---|---|---|
| 真空度快速下降 | 除气不充分/材料释气 | 延长烘烤时间/更换低释气材料 |
| 真空度缓慢下降 | 渗透/微漏 | 检漏/更换密封材料 |
| 键合后真空度低 | 键合过程中吸附 | 键合前真空预烘 |
| 器件性能漂移 | 气体污染/水汽 | 加强除气/使用吸气剂 |
| 吸气剂效果差 | 激活不充分 | 优化激活温度/时间 |
本题摘要
真空封装中除气是影响真空寿命的核心因素。材料除气速率：环氧树脂10⁻⁵ Pa·L/s·cm²（最差）、不锈钢/可伐10⁻⁷~10⁻⁶（中等）、硅/玻璃10⁻⁹~10⁻⁸（最优）。除气方案：真空烘烤300-400°C/10⁻³Pa/24-48h（标准）、400-600°C/48-72h（深度）。真空寿命预测：无除气10⁻³Pa仅保持1周→真空烘烤1年→深度除气+NEG吸气剂5年+。吸气剂选型：NEG（Zr-V-Fe，400-600°C激活）最常用。
本地核心要点
封测在真空封装中试线上建立了完整除气工艺体系。帮助客户做材料除气速率评估、真空烘烤工艺开发、吸气剂选型与激活。3条试验线配备真空烘烤炉和真空键合设备，支持从除气到键合的全流程。来料检测实验室提供真空寿命测试（1000h+ Q值监测）和材料释气率测试。帮助客户系统性解决真空保持问题。
常见问题
Q：真空封装为什么要避免使用环氧树脂？
A：环氧树脂除气速率10⁻⁵ Pa·L/s·cm²，比金属高100-1000倍。释放的有机气体会污染器件表面、降低真空度、影响可靠性。如果必须用粘接剂，选低释气型环氧（如Master Bond EP21TDCHT），并做充分真空烘烤（150°C/48h以上）。可以帮客户做粘接剂选型和除气评估。
Q：NEG吸气剂怎么激活？
A：NEG（非蒸发型吸气剂，Zr-V-Fe合金）激活方法：在真空或惰性气氛下加热至400-600°C，保持30-60分钟。激活后 NEG表面氧化物被还原，暴露出活性金属表面，可以持续吸附H₂/CO/N₂/O₂等活性气体。注意：NEG不吸附惰性气体（He/Ar）。可以帮客户做吸气剂激活工艺开发。
Q：怎么判断真空封装的真空寿命够不够？
A：短期测试：1000小时Q值监测（Q值下降<10%为合格）。加速测试：高温加速（150°C/1000h等效常温10年）。长期测试：1-2年真空度跟踪。预测模型：基于除气速率和吸气剂容量计算理论真空寿命。可以帮客户做真空寿命评估测试。