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電化學遷移ECM現象如何預防?
 

【作者: 宜特科技】   2022年08月15日 星期一

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在可靠度試驗中,有一項高加速應力試驗(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test;HAST),主要是在測試IC封裝體對溫溼度的抵抗能力,藉以確保產品可靠度。這項試驗方式是需透過外接電源供應器,將DC電壓源送入高壓鍋爐機台設備內,再連接到待測IC插座(Socket)與測試版(HAST board),進行待測IC的測試。


然而這項試驗看似簡單,但在宜特多年的可靠度驗證經驗中,卻發現客戶都會遇到一些難題需要克服。特別是晶片應用日益複雜,精密度不斷提升,晶片採取如球柵陣列封裝(Ball Grid Array;BGA)和晶片尺寸構裝(Chip Scale package;CSP)封裝比例越來越高,且錫球間距也越來越小,在執行HAST時,非常容易有「電化學遷移」(Electrochemical migration;ECM)現象的產生,造成晶片於可靠度實驗過程中發生電源短路異常。而每當此現象時,相信您一定會疑問,「到底是樣品製程中哪一道步驟影響後續實驗,還是實驗環境端未控制好?」本文將深入探討此問題及分享如何預防ECM現象發生。


何謂電化學遷移(Electrochemical migration;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。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)。


圖一 : ECM原理
圖一 : ECM原理

圖二 : 電化學遷移析出樹枝狀金屬
圖二 : 電化學遷移析出樹枝狀金屬

圖三 : HAST實驗後產生ECM(好發於電路板上)
圖三 : HAST實驗後產生ECM(好發於電路板上)

造成電化學遷移(ECM)最大因素

造成ECM形成的最大因素為「電解質層形成」,電解質層的形成會產生自由離子進而增加導電率。而會加速電解質層形成的原因大多為濕度、溫度、汗水、環境中的汙染物、助焊劑化學物、板材材料、表面粗糙度等因素,因此,如何預防電解質層形成極為重要。


焊點助焊劑清潔程度影響ECM發生多寡

IC晶片封裝成BGA後,於植球時會使用助焊劑(Flux)確保兩種不同的金屬或合金連接順利。宜特可靠度驗證實驗室就觀察到,Flux製程後,若沒有進行清潔動作,不僅殘留物將阻礙Underfill流動路徑(圖四),導致填充膠無法填滿晶片底部,造成許多的氣泡,更會加劇ECM的發生。



圖四 : Flux未清洗,阻塞Underfill流動。
圖四 : Flux未清洗,阻塞Underfill流動。

速讀Underfill製程與原理

Underfill通常使用環氧樹脂(Epoxy),它的原理是利用毛細作用,將Epoxy塗抹在晶片的邊緣,使其滲透到晶片底部,完整包覆每一顆焊點,並加熱固化,藉此有效提高焊點的機械強度,進而提高晶片的使用壽命(圖五)。


圖五
圖五

Underfill製程多被運用在手持裝置,如手機或平板的電路板設計,來自於這些裝置必須通過嚴苛的衝擊試驗(Mechanical shock test)與震動試驗(Vibration test),若未進行Underfill製程,手持式裝置中晶片的焊點,將無法承受如此嚴苛測試條件。


然而,在進行Underfill製程操作中,容易受到各種因素影響,或多或少會產生氣泡(Void)。這些因素包括膠管本身含有氣泡、點膠溫度及路徑、溫度固化的參數,晶片設計錫球矩陣、錫膏助焊劑成份..等,皆可能導致Underfill無法完全包覆晶片底部的錫球,大幅降低焊點保護效果。


宜特可靠度驗證實驗室,特別進行兩項實驗設計(DOE),實驗條件套用HAST常見的溫度:130°C/濕度:85%RH,使用助焊劑為坊間常見免清洗型助焊劑。第一項DOE樣品不做助焊劑清潔(Flux clean),第二項DOE樣品做助焊劑清潔(Flux Clean),DOE結果可清楚看到,未做Flux Clean的樣品,出現了ECM現象(圖六(左)),而有做Flux Clean的樣品,儘管同樣出現ECM現象(圖六(右)),但非常細微。



圖六 : 免清洗型助焊劑ECM試驗
圖六 : 免清洗型助焊劑ECM試驗

從此實驗中,我們可以了解到,儘管植球時已使用免清洗型助焊劑,但仍會有些微Flux殘留,故在執行高溫、高濕實驗過程中,是否進行清除助焊劑(Flux clean)濕式製程,是影響ECM發生多寡因素之一,不可忽視。


當然,Flux Clean手法流程、清洗時間掌握與液體溶劑使用方式,皆須視樣品大小、數量、使用何種Flux…等等做調整,才能達到有效的清潔。


在實驗過程中,環境與人員操作手法會影響ECM產生

HAST實驗使用的機台皆為壓力鍋爐設計,機台內部管線架構複雜,容易累積髒污,故須定期安排清潔保養,按照原廠提供的機台保養手冊進行維護,保持機台內部潔淨。


此外,在進行實驗作業過程時,操作人員須全程配戴手套,即可避免手汗中的鈉離子、鉀離子、鈣離子等成分造成汙染。


如何在HAST可靠度試驗時,及時發現ECM?

透過以上各種實驗前置預防方法,將可有效並大幅降低ECM發生風險,但若仍疏漏了其他環節,而造成ECM或其他耗電異常現象發生,則如何於實驗過程中即時發現呢?


在宜特可靠度驗證實驗室中,可透過電源管理系統和電源模組配置(圖七(左)),搭配客製化的電路設計,除強化自動化功能外,亦增加電源監控功能,使每片HAST board都能被獨立監控,於實驗過程中,動態確認歷程記錄(圖七(右)),不僅可確保測試過程的穩定性,更能即早發現產品異常現象,避免產品或電路板被嚴重破壞,無法繼續後續失效分析。



圖七 : (左)電源管理系統和電源模組配置;(右)電源監控,動態確認歷程記錄
圖七 : (左)電源管理系統和電源模組配置;(右)電源監控,動態確認歷程記錄
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