科普丨芯片可靠性分析——PCT高壓加速老化測試

科普丨芯片可靠性分析——PCT高壓加速老化測試

一般塑封器件的失效可分為早期失效和使用期失效,前者多是由設計或工藝失誤造成的質量缺陷所致,可通過常規電性能檢測和篩選來判別。后者則是由器件的潛在缺陷引起的,潛在缺陷的行為與時間和應力有關,經驗表明,受潮、腐蝕、機械應力、電過應力和靜電放電等產生的失效占主導地位。

PCT高壓加速老化測試最主要是測試半導體封裝之抗濕氣能力,待測品被放置嚴苛的溫濕度以及壓力環境下測試,如果半導體封裝的不好,濕氣會沿著膠體或膠體與導線架之接口滲入封裝體之中，其常見的故障原因有爆米花效應、主動金屬化區域腐蝕造成之斷路封裝體引腳間因污染造成之短路等相關問題。

PCT高壓加速老化測試也稱為壓力鍋蒸煮試驗或是飽和蒸汽試驗,最主要是將待測品置于嚴苛之溫度、飽和濕度(100%.H.飽和水蒸氣及壓力環境下測試,測試待測品耐高濕能力,針對印刷線路板(PCB&FPC),用來進行材料吸濕率試驗、高壓蒸煮試驗等試驗目的,如果待測品是半導體的話,

則用來測試半導體封裝之抗濕氣能力,待測品被放置嚴苛的溫濕度以及壓力環境下測試,如果半導體封裝的不好,濕氣會沿者膠體或膠體與導線架之接口滲入封裝體之中,常見的故裝原因:爆米花效應、動金屬化區域腐蝕造成之斷路、封裝體引腳間因污染造成之短路等相關問題。

高壓加速老化試驗箱（HAST）

IEC60068-2-66、JESD22-A102-B、EIAJED4701、EIA/JESD22

一、腐蝕失效與IC

腐蝕失效(水汽、偏壓、雜質離子)會造成IC的鋁線發生電化學腐蝕,而導致鋁線開路以及遷移生長。

二、塑封半導體因濕氣腐蝕而引起的失效現象

由于鋁和鋁合金價格便宜,加工工藝簡單,因此通常被使用為集成電路的金屬線。從進行集成電路塑封制程開始,水氣便會通過環氧樹脂滲入引起鋁金屬導線產生腐蝕進而產生開路現象,成為質量管理最為頭痛的問題。雖然通過各種改善包括采用不同環氧樹脂材料、改進塑封技術和提高非活性塑封膜為提高質量進行了各種努力,但是隨著日新月異的半導體電子器件小型化發展,塑封鋁金屬導線腐蝕問題至今仍然是電子行業非常重要的技術課題。

三、θ10℃法則

討論産品壽命時,一般采用[θ10℃法則]的表達方式,簡單的說明可以表達為[10℃規則],當周圍環境溫度上升10℃時產品壽命就會減少一半;當周圍環境溫度上升20℃時,產品壽命就會減少到四分之一。這種規則可以說明溫度是如何影響產品壽命(失效)的,相反的產品的可靠度試驗時,也可以利用升高環境溫度來加速失效現象發生,進行各種加速壽命老化試驗。

四、濕氣所引起的故障原因

水汽滲入、聚合物材料解聚、聚合物結合能力下降、腐蝕、空洞、線焊點脫開、引線間漏電、芯片與芯片粘片層脫開、焊盤腐蝕、金屬化或引線間短路水汽對電子封裝可靠性的影響:腐蝕失效分層和開裂、改變塑封材料的性質。

五、鋁線中產生腐蝕過程

①水氣滲透入塑封殼內→濕氣滲透到樹脂和導線間隙之中

②水氣滲透到芯片表面引起鋁化學反應

加速鋁腐蝕的因素:

①樹脂材料與芯片框架接口之間連接不夠好(由于各種材料之間存在膨脹率的差異)

②封裝時,封裝材料摻有雜質或者雜質離子的污染(由于雜質離子的出現)

③非活性塑封膜中所使用的高濃度磷

④非活性塑封膜中存在的缺陷

六、爆米花效應(Popcorn Effect)

原指以塑料外體所封裝的IC,因其芯片安裝所用的銀膏會吸水,一旦末加防范而徑行封牢塑體后,在下游組裝焊接遭遇高溫時,其水分將因汽化壓力而造成封體的爆裂,同時還會發出有如爆米花般的聲響,故而得名,當吸收水汽含量高于0.17%時,[爆米花]現象就會發生。近來十分盛行P-BGA的封裝組件,不但其中銀膠會吸水,且連載板之基材也會吸水,管理不良時也常出現爆米花現象。

七、水汽進入IC封裝的途徑

①IC芯片和引線框架及SMT時用的銀漿所吸收的水

②塑封料中吸收的水分

③塑封工作間濕度較高時對器件可能造成影響;

④包封后的器件,水汽透過塑封料以及通過塑封料和引線框架之間隙滲透進去,因為塑料與引線框架之間只有機械性的結合,所以在引線框架與塑料之間難免出現小的空隙。

備注:只要封膠之間空隙大于3.4*1^-10m以上,水分子就可穿越封膠的防護。氣密封裝對于水汽不敏感,一般不采用加速溫濕度試驗來評價其可靠性,而是測定其氣密性、內部水汽含量等。

八、外引腳錫短路

封裝體外引腳因濕氣引起之電離效應,會造成離子遷移不正常生長,而導致引腳之間發生短路現象。

九、濕氣造成封裝體內部腐蝕

濕氣經過封裝過程所造成的裂傷,將外部的離子污染帶到芯片表面,在經過經過表面的缺陷如:護層針孔、裂傷、被覆不良處等,進入半導體原件里面,造成腐蝕以及漏電流.,等問題,如果有施加偏壓的話故障更容易發生。

試驗設備：PCT高壓蒸煮老化試驗箱

滿足溫度范圍+105℃~+162.5℃,濕度范圍100%R.H

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• 　　【公司總部

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