科普丨芯片可靠性分析——PCT高压加速老化测试

科普丨芯片可靠性分析——PCT高压加速老化测试

一般塑封器件的失效可分为早期失效和使用期失效,前者多是由设计或工艺失误造成的质量缺陷所致,可通过常规电性能检测和筛选来判别。后者则是由器件的潜在缺陷引起的,潜在缺陷的行为与时间和应力有关,经验表明,受潮、腐蚀、机械应力、电过应力和静电放电等产生的失效占主导地位。

PCT高压加速老化测试最主要是测试半导体封装之抗湿气能力,待测品被放置严苛的温湿度以及压力环境下测试,如果半导体封装的不好,湿气会沿着胶体或胶体与导线架之接口渗入封装体之中，其常见的故障原因有爆米花效应、主动金属化区域腐蚀造成之断路封装体引脚间因污染造成之短路等相关问题。

PCT高压加速老化测试也称为压力锅蒸煮试验或是饱和蒸汽试验,最主要是将待测品置于严苛之温度、饱和湿度(100%.H.饱和水蒸气及压力环境下测试,测试待测品耐高湿能力,针对印刷线路板(PCB&FPC),用来进行材料吸湿率试验、高压蒸煮试验等试验目的,如果待测品是半导体的话,

则用来测试半导体封装之抗湿气能力,待测品被放置严苛的温湿度以及压力环境下测试,如果半导体封装的不好,湿气会沿者胶体或胶体与导线架之接口渗入封装体之中,常见的故装原因:爆米花效应、动金属化区域腐蚀造成之断路、封装体引脚间因污染造成之短路等相关问题。

高压加速老化试验箱（HAST）

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

一、腐蚀失效与IC

腐蚀失效(水汽、偏压、杂质离子)会造成IC的铝线发生电化学腐蚀,而导致铝线开路以及迁移生长。

二、塑封半导体因湿气腐蚀而引起的失效现象

由于铝和铝合金价格便宜,加工工艺简单,因此通常被使用为集成电路的金属线。从进行集成电路塑封制程开始,水气便会通过环氧树脂渗入引起铝金属导线产生腐蚀进而产生开路现象,成为质量管理最为头痛的问题。虽然通过各种改善包括采用不同环氧树脂材料、改进塑封技术和提高非活性塑封膜为提高质量进行了各种努力,但是随着日新月异的半导体电子器件小型化发展,塑封铝金属导线腐蚀问题至今仍然是电子行业非常重要的技术课题。

三、θ10℃法则

讨论産品寿命时,一般采用[θ10℃法则]的表达方式,简单的说明可以表达为[10℃规则],当周围环境温度上升10℃时产品寿命就会减少一半;当周围环境温度上升20℃时,产品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响产品寿命(失效)的,相反的产品的可靠度试验时,也可以利用升高环境温度来加速失效现象发生,进行各种加速寿命老化试验。

四、湿气所引起的故障原因

水汽渗入、聚合物材料解聚、聚合物结合能力下降、腐蚀、空洞、线焊点脱开、引线间漏电、芯片与芯片粘片层脱开、焊盘腐蚀、金属化或引线间短路水汽对电子封装可靠性的影响:腐蚀失效分层和开裂、改变塑封材料的性质。

五、铝线中产生腐蚀过程

①水气渗透入塑封壳内→湿气渗透到树脂和导线间隙之中

②水气渗透到芯片表面引起铝化学反应

加速铝腐蚀的因素:

①树脂材料与芯片框架接口之间连接不够好(由于各种材料之间存在膨胀率的差异)

②封装时,封装材料掺有杂质或者杂质离子的污染(由于杂质离子的出现)

③非活性塑封膜中所使用的高浓度磷

④非活性塑封膜中存在的缺陷

六、爆米花效应(Popcorn Effect)

原指以塑料外体所封装的IC,因其芯片安装所用的银膏会吸水,一旦末加防范而径行封牢塑体后,在下游组装焊接遭遇高温时,其水分将因汽化压力而造成封体的爆裂,同时还会发出有如爆米花般的声响,故而得名,当吸收水汽含量高于0.17%时,[爆米花]现象就会发生。近来十分盛行P-BGA的封装组件,不但其中银胶会吸水,且连载板之基材也会吸水,管理不良时也常出现爆米花现象。

七、水汽进入IC封装的途径

①IC芯片和引线框架及SMT时用的银浆所吸收的水

②塑封料中吸收的水分

③塑封工作间湿度较高时对器件可能造成影响;

④包封后的器件,水汽透过塑封料以及通过塑封料和引线框架之间隙渗透进去,因为塑料与引线框架之间只有机械性的结合,所以在引线框架与塑料之间难免出现小的空隙。

备注:只要封胶之间空隙大于3.4*1^-10m以上,水分子就可穿越封胶的防护。气密封装对于水汽不敏感,一般不采用加速温湿度试验来评价其可靠性,而是测定其气密性、内部水汽含量等。

八、外引脚锡短路

封装体外引脚因湿气引起之电离效应,会造成离子迁移不正常生长,而导致引脚之间发生短路现象。

九、湿气造成封装体内部腐蚀

湿气经过封装过程所造成的裂伤,将外部的离子污染带到芯片表面,在经过经过表面的缺陷如:护层针孔、裂伤、被覆不良处等,进入半导体原件里面,造成腐蚀以及漏电流.,等问题,如果有施加偏压的话故障更容易发生。

试验设备：PCT高压蒸煮老化试验箱

满足温度范围+105℃~+162.5℃,湿度范围100%R.H

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