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(zhì)量缺陷所致,可通過常規(guī)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(jīng)驗表明,受潮、腐蝕、機械應力、電過應力和靜電放電等產(chǎn)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?jié)駳饽芰?待測品被放置嚴苛的溫濕度以及壓力環(huán)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(qū)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(huán)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?jié)駳饽芰?待測品被放置嚴苛的溫濕度以及壓力環(huán)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(qū)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(zhì)離子)會造成IC的鋁線發(fā)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(xiàn)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(huán)氧樹脂滲入引起鋁金屬導線產(chǎn)生腐蝕進而產(chǎn)生開路現(xiàn)象,成為質(zhì)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(huán)氧樹脂材料、改進塑封技術和提高非活性塑封膜為提高質(zhì)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(fā)展,塑封鋁金屬導線腐蝕問題至今仍然是電子行業(yè)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(guī)則],當周圍環(huán)境溫度上升10℃時產(chǎn)品壽命就會減少一半;當周圍環(huán)境溫度上升20℃時,產(chǎn)品壽命就會減少到四分之一。這種規(guī)則可以說明溫度是如何影響產(chǎn)品壽命(失效)的,相反的產(chǎn)品的可靠度試驗時,也可以利用升高環(huán)境溫度來加速失效現(xiàn)象發(fā)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(zhì)。

五、鋁線中產(chǎn)生腐蝕過程

①水氣滲透入塑封殼內(nèi)→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(zhì)或者雜質(zhì)離子的污染(由于雜質(zhì)離子的出現(xiàn))

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(fā)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(xiàn)象就會發(fā)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(xiàn)爆米花現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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(fā)生短路現(xiàn)象。

九、濕氣造成封裝體內(nèi)部腐蝕

濕氣經(jīng)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(jīng)過經(jīng)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(fā)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

• 上海簡戶儀器設備有限公司是一家高科技合資企業(yè),生產(chǎn)銷售鹽霧箱、恒溫恒濕機、冷熱沖擊機、振動試驗機、機械沖擊機、跌落試驗機的環(huán)境試驗儀器的公司，研發(fā)生產(chǎn)銷售經(jīng)營各類可靠性環(huán)境試驗設備。經(jīng)驗豐富，并得到許多國內(nèi)外廠商的信賴與支持。

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  　　簡戶儀器今后必將牢記為客戶提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和服務的宗旨，不忘為行業(yè)貢獻前沿科學和技術的初心，再接再厲，砥礪前行！

• 　　【簡戶儀器簡介:成立2005年，是一家研發(fā)，生產(chǎn)，銷售及售后齊全的綜合性設備生產(chǎn)單位，多次評為科技型中小企業(yè)，并是國家高新技術企業(yè)，客戶遍布高分子，汽車，半導體，塑膠，五金，科研院校，第三方檢測等】

• 　　【公司總部

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