為何總是混淆 Preconditioning 預處理測試與 MSL 濕敏試驗

作者 | 發布日期 2021 年 06 月 16 日 10:00 | 分類 晶片 Telegram share ! follow us in feedly


客戶要求執行「預處理測試(Preconditioning Test)」,執行廠商卻混淆以為客戶要的是「濕度敏感等級試驗(MSL Test)」,到底兩者有何不同?以下我們就來看看。

關於可靠度驗證(Reliability Test 或是 Reliability Assurance,簡稱 RA)相信大家都不陌生,何謂RA,就是以量化數據做為產品品質保證之依據,藉由實驗模擬,產品於既定時間內、特定使用環境條件,執行特定規格功能,成功完成工作目標的機率,以量化數據作為產品品質保證的依據。

不過,IC 封裝體在進行相關環境類 RA 之前,有一項試驗必須先進行,依照電子設備工程聯合委員會(Joint Electron Device Engineering Council,簡稱 JEDEC)的 JESD 47 規範,在進行相關環境類實驗前,必須先進行「預處理測試(Preconditioning Test)」。

然而,由於「預處理測試(Preconditioning Test)」的實驗流程/步驟與「濕度敏感等級試驗(MSL Test)」類似,宜特科技時常遇到很多客戶混淆此兩種實驗;本期宜特小學堂,將協助釐清此兩種測試的差異。

一、測試目的

首先,我們先來了解測試的目的在哪裡,簡單來說「預處理測試(Preconditioning Test)」的目的是要「模擬 IC 封裝體在上板過程中可能遇到的失效狀況」;而「濕度敏感等級試驗(MSL Test)」則是要「讓使用者了解該 IC 能夠曝露在作業環境下多久」。

  • 「濕度敏感等級試驗(MSL Test)」的目的

什麼是「讓使用者了解 IC 能夠曝露在作業環境下多久」? 現今的樣品尺寸越做越小,對於濕氣的抵抗能力就要越好,濕氣會沿著 IC 膠體縫隙或引腳接縫滲入產品內部,當 IC 在執行回焊爐(Reflow)作業的時候,由於溫度快速增加,導致在IC內部的水氣快速膨脹,因而造成 IC 內部有分層或其他異常現象產生。「濕度敏感等級測試(MSL Test)」即在檢測 IC 封裝體對濕氣的抵抗能力,確認該 IC 樣品可以通過吸濕敏感的哪個等級,讓使用者可以明確知道該樣品的濕敏等級,使用者就能依照規範中各等級所定義的環境,來進行使用以及存放樣品,確保在後續組裝生產的時候,在 Reflow 作業過程中產品的品質。

  • 「預處理測試(Preconditioning Test)」的目的

「預處理測試(Preconditioning Test)」,是 IC 封裝體執行「環境類可靠度驗證(RA)」實驗前的前期測試,主要是「模擬 IC 封裝體在上板過程中可能遇到的失效狀況」。在正式進行 RA 實驗前,需先模擬執行 IC 上板組裝 Reflow 過爐,確認在執行可靠度測試前不會因為 Reflow 有異常,導致零件毀損等,影響後續測試結果。如果預處理測試(Preconditioning test)時,就發現待測樣品有問題,後續相關的 RA 建議暫停執行,直到確認失效原因並改善後,才能進行後續 RA 實驗。

二、測試流程

  • 「濕度敏感等級試驗(MSL Test)」流程

MSL 實驗測試規範主要以 IPC/JEDEC J-STD-020 為依歸。待測物需先執行「初始電性測試(Initial Electrical Test)」、「外觀檢查(Visual Inspection)」、與「超音波檢驗(Pre-SAT)」,確認待測物初始狀況,是否有脫層(Delamination)、裂痕(Crack等),做為實驗後的數據比對。

接著,執行「125℃ 烘烤 24 小時(Bake125℃ 24Hrs)」,此步驟的目的是將產品烘乾,如同您的客戶收到 IC 樣品,從真空包裝袋拆封後的 IC,是乾燥的狀態。

再來,執行「吸濕(Soak )」,此步驟的目的則是模擬 IC 暴露在真實環境的狀況。實驗流程,會依照客戶想要通過濕度敏感等級(參見圖一),「吸濕(Soak)」實驗條件也會隨之不同。舉例而言,若客戶想要讓 IC 的拆封到組裝完畢的時間為 168hrs 內,則測試的等級需選擇 Level 3,進行吸濕條件為 30℃/60%RH/192hrs(參見圖一 Floor Life 欄位)。

▲ 圖一:吸濕敏感等級,依據零件吸濕條件共分為六個等級。

接著,則是進行「回焊(ReflowX3)」試驗,模擬組裝時進行 Reflow 的狀況。最後我們會進行外觀檢驗(Final Visual Inspection)、超音波檢驗(Post-SAT),再將樣品交付客戶執行電性測試(Post-Electronical Test)。

如以上說明的測試流程中,IC 會經過吸濕的步驟進行吸收水氣,而水氣在迴焊試驗(ReflowX3)的流程中,會因為溫度快速升高造成水氣快速膨脹,而水氣的膨脹可能會造成 IC 樣品內部有脫層(Delamination)的現象,進而造成 IC 的功能性異常。

因此,在 MSL 試驗前後,都安插了外觀檢驗(Visual Inspection)與超音波檢驗(SAT)進行確認。這兩個站點目的是要確認實驗前後的外觀與 IC 內部是否有異常。

若選用之吸濕等級經 MSL 測試後樣品失效,得選擇等級較低的試驗條件重新再進行驗證,最終之等級須標示於零件外包裝上,讓使用者可以明確地清楚該 IC 的 MSL 等級。

附帶一提,失效判定包括外觀損壞破裂、電性測試失效、內部破裂(Internal Crack)、結構脫層(Delamination)(參見圖二)。

▲ 圖二:左圖為 MSL 試驗前,無任何脫層現象;右圖為 MSL 試驗後,Die Paddle / Lead frame 產生脫層現象(Delamination)。

▲ 圖三:MSL 試驗流程步驟。

  • 「預處理測試(Preconditioning Test)」流程

Preconditioning 測試規範主要參考 JESD22-A113,其基本的流程步驟,有幾項是非必要的,主要依據實際應用層面而決定是否選用(optional)執行(第三、七、八、九步驟),例如第三步驟溫度循環(Temperature Cycling X5),主要是在模擬產品在運輸過程 (無論是船運、空運、或一般貨車都屬運輸的一種) ,依照規範所提到的,在測試時候可以依照產品的實際需求來選擇此項是否要執行。

其他流程則與 MSL 測試大同小異,同樣需要經過電性測試(Electrical Test)、外觀檢驗(Visual Inspection)、烘烤(Bake125℃ 24Hrs)、吸濕(Soak)、回焊試驗(ReflowX3)(參見圖四)。最後也則是須再一次進行電性測試(Final Electrical Test),確認電性測試的資料都沒有問題後,IC 樣品才能正式執行後續的可靠度試驗(RA)。

▲ 圖四:Preconditioning 基本測試流程步驟。

  • 小結

我們可以發現預處理測試(Preconditioning Test)的基本流程,並沒有超音波檢驗(SAT);主要是當我們在執行「預處理測試(Preconditioning Test)」之前,就必須先透過 MSL 試驗,確認樣品的吸濕敏感等級以及其樣品是否可通過指定的等級條件,而在 MSL 的這個試驗步驟中,就已有使用 SAT 的步驟確認過 IC 樣品內部是否有異常情形,因此,在預處理測試(Preconditioning Test)流程中,便不用執行 SAT 的步驟。

綜合以上,MSL 試驗與預處理測試(Preconditioning Test)不僅在執行的目的不同,在實驗上的步驟也有所差異。

預處理測試(Preconditioning Test) 濕度敏感等級試驗(MSL Test)
實驗目的 模擬IC封裝體在上板過程中可能遇到的失效狀況 讓使用者了解該IC能夠曝露在作業環境下多久
依循規範 JESD22-A113 IPC/JEDEC J-STD-020
實驗步驟:
1. 初始電性測試

Initial Electrical Test

O O
2. 初始外觀檢驗

Initial Visual inspection

O O
3. 初始超音波檢驗

Pre-SAT

x O
4. 5次溫度循環試驗

Temperature CyclingX5

x
5. 烘烤

Bake

O O
6. 吸濕

Soak

O O
7.  3次回焊試驗

Reflow*3

O O
8. 助焊劑應用

Flux application

x
9. 清洗

Cleaning

x
10 . 烘乾

Dry

x
11. 最終外觀檢驗

Final Visual Inspection

O O
12. 最終超音波檢驗

Post-SAT

x O
13. 最終電性測試

Final Electrical Test

O O
備註1:做預處理測試(Preconditioning Test)之前,應先得知濕度敏感等級試驗(MSL Test)

備註2: △為option選項

▲ 表一:預處理測試(Preconditioning Test)V.S.濕度敏感等級測試(MSL Test)比較表。 

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(圖片及資料來源:宜特科技)