发布日期：2022/7/12电化学迁移
发布单位：iST宜特
HAST实验过程，封装样品居然产生ECM?
是助焊剂的问题?还是实验环境出了问题?
如何预防呢?
可靠性试验中，有一项，叫做高加速应力试验(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test，简称HAST)，主要是在测试IC封装体对温湿度的抵抗能力，藉以确保产品可靠性。
这项试验方式是需透过外接电源供应器，将DC电压源送入高压锅炉机台设备内，再连接到待测IC插座(Socket)与测试版(HAST board)，进行待测IC的测试。
然而这项试验，看似简单，但在宜特20多年的可靠性验证经验中，却发现客户都会遇到一些难题需要克服。特别是芯片应用日益复杂，精密度不断提升，芯片采取如球栅数组封装(Ball Grid Array，简称BGA)和芯片尺寸构装(Chip Scale package，简称CSP）封装比例越来越高，且锡球间距也越来越小，在执行HAST时，非常容易有「电化学迁移」(Electrochemical migration，简称ECM）现象的产生，造成芯片于可靠性实验过程中发生电源短路异常。而每当此现象时，相信您一定会疑问，「到底是样品工艺中哪一道步骤影响后续实验，还是实验环境端未控制好?」 本期宜特小学堂，将从外而内深入探讨此问题，并与您分享，如何预防ECM现象发生。
电化学迁移
金屬離子在電場的作用下，電路的陽極和陰極之間會形成一個導電通道(圖一)，產生電解腐蝕(Electrolytic Corrosion。樣式如樹枝狀結構生長，造成不同區域的金屬互相連接(圖二)，進而導致電路短路。ECM現象好發於電路板上(圖三)。
图一:ECM原理
图二: 电化学迁移析出树枝状金属
图三:HAST实验后产生ECM(好发于电路板上)
一、 造成电化学迁移(ECM)最大因素
造成ECM形成的最大因素为「电解质层形成」，电解质层的形成会产生自由离子进而增加导电率。而会加速电解质层形成的原因大多为湿度、温度、汗水、环境中的污染物、助焊剂化学物、板材材料、表面粗糙度…等因素，因此，如何预防电解质层形成极为重要。
二、 焊点助焊剂(Flux)清洁与否，将影响ECM发生多寡
IC芯片封装成BGA后，于植球时会使用助焊剂(Flux)确保两种不同的金属或合金连接顺利。宜特可靠性验证实验室就观察到，Flux工艺后，若没有进行清洁动作，不仅残留物将阻碍Underfill流动路径(图四)，导致填充胶无法填满芯片底部，造成许多的气泡(延伸阅读: 如何利用真空压力烤箱 消灭Underfill Void)，更会加剧ECM的发生。
图四: Flux未清洗，阻塞Underfill流动
宜特可靠性验证实验室，特别做了两项实验设计(DOE)，实验条件套用HAST常见的温度:130°C/湿度:85%RH，使用助焊剂为坊间常见免清洗型助焊剂。第一项DOE样品不做助焊剂清洁(Flux clean)，第二项DOE样品做助焊剂清洁(Flux Clean)，DOE结果可清楚看到，未做Flux Clean的样品，出现了ECM现象(图五(左))，而有做Flux Clean的样品，尽管同样出现ECM现象(图五(右))，但非常细微。
免清洗型助焊剂ECM试验
实验条件一:
温度：130°C
湿度：85%RH
Flux clean：Undone实验条件二
温度：130°C
湿度：85%RH
Flux clean：Done
图五(左)
圖五(右)
从此实验中，我们可以了解到，尽管植球时已使用免清洗型助焊剂，但仍会有些微Flux残留，故在执行高温、高湿实验过程中，是否进行清除助焊剂(Flux clean)湿式工艺(想知道湿式工艺流程如何进行? 来信索取web_cre@istgroup.com；marketing_tw@istgroup.com)，是影响ECM发生多寡因素之一，不可忽视。
当然，Flux Clean手法流程、清洗时间掌握与液体溶剂使用方式，皆须视样品大小、数量、使用何种Flux…等等做调整，才能达到有效的清洁。
三、 实验过程中，环境与人员操作手法，也会影响ECM产生
HAST实验使用的机台皆为高压锅炉设计，机台内部管线架构复杂，容易累积脏污，故须定期安排清洁保养，按照原厂提供的机台保养手册进行维护，保持机台内部洁净。
此外，操作人员在进行实验作业过程时，须全程配戴手套，即可避免手汗中的钠离子、钾离子、钙离子…等成分造成污染。
四、 如何在HAST可靠性试验时，及时发现ECM?
透过以上各种实验前置预防方法，将可有效并大幅降低ECM发生风险，但若仍疏漏了其他环节，而造成ECM或其他耗电异常现象发生，则如何于实验过程中实时发现呢?
在宜特可靠性验证实验室中，可透过电源管理系统和电源模块配置(图六(左))，搭配客制化的电路设计，除强化自动化功能外，亦增加电源监控功能，使每片HAST board都能被独立监控，于实验过程中，动态确认历程记录(图六(右))，不仅可确保测试过程的稳定性，更能即早发现产品异常现象，避免产品或电路板被严重破坏，无法继续后续失效分析。
图六(左)：电源管理系统和电源模块配置；图六(右):电源监控，动态确认历程记录
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