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）

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。

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

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

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