發佈日期：2022/7/12電化學遷移
發佈單位：iST宜特
HAST實驗過程，封裝樣品居然產生ECM?
是助焊劑的問題?還是實驗環境出了問題?
如何預防呢?
可靠度試驗中，有一項，叫做高加速應力試驗(Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test，簡稱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20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，簡稱BGA)和晶片尺寸構裝(Chip Scale package，簡稱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，簡稱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?」 本期宜特小學堂，將從外而內深入探討此問題，並與您分享，如何預防ECM現象發生。
電化學遷移
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)。
圖一:ECM原理
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)
一、 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。
二、 焊點助焊劑(Flux)清潔與否，將影響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(延伸閱讀: 如何利用真空壓力烤箱 消滅Underfill Void)，更會加劇ECM的發生。
圖四: Flux未清洗，阻塞Underfill流動
宜特可靠度驗證實驗室，特別做了兩項實驗設計(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(圖五(左))，而有做Flux Clean的樣品，儘管同樣出現ECM現象(圖五(右))，但非常細微。
免清洗型助焊劑ECM試驗
實驗條件一:
溫度：130°C
濕度：85%RH
Flux clean：Undone實驗條件二
溫度：130°C
濕度：85%RH
Flux clean：Done
圖五(左)
圖五(右)
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(想知道濕式製程流程如何進行? 來信索取web_cre@istgroup.com；marketing_tw@istgroup.com)，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。
三、 實驗過程中，環境與人員操作手法，也會影響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，操作人員在進行實驗作業過程時，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。
四、 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(圖六(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(圖六(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。
圖六(左)：電源管理系統和電源模組配置；圖六(右):電源監控，動態確認歷程記錄
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