宜特小學堂：ECM電化學 / 離子遷移現象如何預防

HAST 實驗過程中，封裝樣品產生 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。

何謂電化學遷移（Electrochemical migration,簡稱 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（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。

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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（圖片來源：宜特科技）