首頁 高加速应力可靠性试验之电化学迁移ECM现象 如何预防

高加速应力可靠性试验之电化学迁移ECM现象 如何预防

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高加速应力可靠性试验之电化学迁移ECM现象 如何预防

by ruby

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

何谓电化学迁移(Electrochemical migration,简称ECM)

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)。

电化学迁移 原理

图一:ECM原理

电化学迁移, ECM,离子迁移

图二: 电化学迁移析出树枝状金属

PCB 电化学迁移

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。

    电化学迁移, ECM, 离子迁移

    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.commarketing_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。

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    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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