您當(dāng)前的位置：檢測資訊 > 檢測案例
嘉峪檢測網(wǎng) 2025-09-01 13:51
集成電路（Integrated circuit, IC）產(chǎn)業(yè)是二十世紀(jì)后半葉以來推動社會信息技術(shù)飛速發(fā)展的最重要的因素之一。在集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展中，各種新興技術(shù)不斷出現(xiàn)，包括人工智能、5G 通訊、高性能計(jì)算等，同時各類消費(fèi)電子產(chǎn)品也不斷朝著高性能、多功能、微型化和智能化的方向發(fā)展，這也要求集成電路芯片能夠不斷的提高性能、提高集成度和降低成本。針對市場不斷提出的要求，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在幾十年內(nèi)發(fā)展出了多種形式的電子封裝技術(shù)，如早期的雙列直插式封裝（Dual in-line package, DIP）、針柵陣列封裝（Pin grid array, PGA）、四方扁平封裝（Quad flat package, QFP）和球柵陣列封裝（Ball grid array, BGA）等；然而近些年隨著摩爾定律（Moore’s law）的失效，集成電路晶體管的特征尺寸逐漸逼近物理極限，很難再通過繼續(xù)提升晶體管密度來提高集成度，以提升微電子元器件的性能，面對這一技術(shù)難題，提出了各類先進(jìn)封裝技術(shù)，如倒裝芯片球柵陣列封裝（Flip-chip ball grid array, FC-BGA）、扇出型封裝（Fan-out package, FOP）基板上晶圓級芯片封裝（Chip on wafer on substrate, CoWoS）等，實(shí)現(xiàn)各類先進(jìn)封裝關(guān)鍵的技術(shù)包括再布線層（Redistribution layer, RDL）、硅通孔（Through silicon via, TVS）、轉(zhuǎn)接板（Interposer）以及各種互連焊點(diǎn)技術(shù)。
通常來說，電子封裝可分為4個層級；主要封裝層次簡述如下。
Level 0：主要指芯片制造、半導(dǎo)體制造技術(shù)。
Level 1：裸芯片的封裝。將半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)得到的裸芯片進(jìn)行包封、固定并引出I/O端子，制造成功能模塊或元器件的形式對芯片表面的晶體管進(jìn)行保護(hù)。其中主要的芯片連接工藝包括WB、載帶自動焊（Tape automated bonding, TAB）和倒裝芯片鍵合（Flip chip bonding, FCB）。
Level 2：又稱為板級封裝，將一級封裝后的元件根據(jù)設(shè)計(jì)要求在基板或PCB上布置和焊接以實(shí)現(xiàn)電子互連和機(jī)械支撐。其中常采用的組裝技術(shù)為表面貼裝技術(shù)和通孔插裝技術(shù)，對應(yīng)的主要焊接工藝分別是回流焊和波峰焊。
Level 3：將二級封裝得到的線路板或板卡等互相組裝或安裝到主板（Mother board）上，并連接各類功能模塊構(gòu)成完整的產(chǎn)品。
在各類不同的封裝結(jié)構(gòu)中，芯片和互連結(jié)構(gòu)精細(xì)且復(fù)雜，在制造、運(yùn)輸和服役過程中非常容易受損，為了對芯片提供力學(xué)保護(hù)、抵抗環(huán)境污染與腐蝕和降低互連線路的電容電感，通常在封裝體結(jié)構(gòu)中填充或包裹著各類聚合物材料，如用于填充芯片和基板間隙的底部填充材料（Underfill）、用于密封保護(hù)的環(huán)氧模塑料（Epoxy molding compound, EMC）以及用于RDL層中的聚酰亞胺（Polyimide, PI）等。然而聚合物材料大都是親水性材料，對環(huán)境中的濕氣十分敏感，在制造、運(yùn)輸和服役的過程中會不可避免的吸收環(huán)境中的濕氣。當(dāng)濕氣通過擴(kuò)散進(jìn)入封裝體內(nèi)部后，會在封裝體內(nèi)部的界面、孔隙或微裂紋等區(qū)域凝聚，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降，同時聚合物材料會發(fā)生吸濕膨脹產(chǎn)生濕應(yīng)力，類似熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的熱應(yīng)力，以及在高溫條件下，聚合物材料吸收的濕氣還會受熱蒸發(fā)產(chǎn)生極大的蒸汽壓力。這一系列因素會顯著降低封裝結(jié)構(gòu)的可靠性最終導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞和器件的失效，典型案例就是塑封器件中的“爆米花效應(yīng)（Popcorn effect）”。
環(huán)氧樹脂廣泛用于封裝，提供機(jī)械保護(hù)和防潮性。粘合劑，包括芯片貼裝材料和底部填充材料，在各個封裝階段中在機(jī)械鍵合和應(yīng)力重新分布方面起著至關(guān)重要的作用。基板材料，如FR-4和BT玻璃環(huán)氧層壓板，結(jié)合了機(jī)械強(qiáng)度和電絕緣性，是基板和印刷電路板的重要組成部分。有機(jī)硅基熱界面材料有效增強(qiáng)了組件與散熱器之間的散熱，解決了熱管理這一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。聚酰亞胺等聚合物通常用作多層封裝和柔性電路中的電介質(zhì)。此外，另一種聚合物—阻焊劑，也是半導(dǎo)體封裝不可或缺的一部分。下圖展示了聚合物從本體材料到粘合劑以及薄膜和厚膜的廣泛應(yīng)用。
聚合物技術(shù)的進(jìn)步正在推動針對先進(jìn)封裝架構(gòu)（如2.5D和3D集成）的高性能材料的開發(fā)。納米增強(qiáng)聚合物，包含石墨烯或碳納米管等材料，正在開發(fā)中以改善導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。研究人員也在努力生產(chǎn)低成本和環(huán)保的聚合物，以符合行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。新興的具有自修復(fù)特性和刺激響應(yīng)行為的智能聚合物在動態(tài)熱管理和可靠性提升方面顯示出前景。
盡管取得了顯著進(jìn)步，半導(dǎo)體封裝中的聚合物基材料由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)和吸濕性，本質(zhì)上仍然容易吸收濕氣。濕氣吸收可能發(fā)生在封裝生命周期的各個階段，包括制造、存儲和運(yùn)行，對可靠性和性能構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。
為了說明電子封裝中典型聚合物基材料（如底部填充材料）的濕氣吸收程度，考慮在85°C和85%相對濕度（RH）的常用加速條件下測試室內(nèi)的濕氣吸收過程，如下圖所示。
設(shè)ρa表示85°C/85% RH環(huán)境下的環(huán)境濕氣密度，ρw表示吸收后聚合物材料內(nèi)的濕氣密度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，吸收后聚合物內(nèi)的濕氣密度ρw可以達(dá)到環(huán)境濕氣密度ρa的100倍。雖然此處未指定ρa（環(huán)境濕氣密度）的確切值，但眾所周知，85°C/85% RH代表了濕度極高的條件，具有高水分含量。這一發(fā)現(xiàn)表明，最初以氣相存在于環(huán)境中的濕氣，在聚合物內(nèi)凝結(jié)成液態(tài)。凝結(jié)的濕氣占據(jù)了聚合物基體內(nèi)的微孔或納米孔或自由體積中，無論是在本體材料中還是在其界面處，因?yàn)榫酆衔锏拇蟛糠煮w積已被其結(jié)構(gòu)材料占據(jù)。聚合物內(nèi)極高的濕氣密度（比環(huán)境濕氣密度高出幾個數(shù)量級），為凝結(jié)成液態(tài)提供了證據(jù)。這種行為類似于海綿吸收水分并在其結(jié)構(gòu)中保留大量水。在高溫工藝（如焊料回流）期間，聚合物內(nèi)凝結(jié)的濕氣會蒸發(fā)，通常以液氣混合相存在。這種快速的相變會產(chǎn)生顯著的內(nèi)部蒸汽壓，可能導(dǎo)致關(guān)鍵的封裝失效，包括分層和開裂。
半導(dǎo)體封裝材料中的濕氣吸收顯著影響可靠性，對電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)完整性和性能構(gòu)成嚴(yán)重風(fēng)險。吸收的濕氣可能導(dǎo)致幾種有害影響，包括材料強(qiáng)度/模量下降、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化以及聚合物材料界面粘附力降低，尤其是在高溫下。吸收的濕氣由于材料膨脹導(dǎo)致聚合物內(nèi)產(chǎn)生溶脹和內(nèi)應(yīng)力。這些應(yīng)力可能導(dǎo)致層間或組件界面處的翹曲、開裂或分層。在焊料回流過程中，吸收濕氣的快速蒸發(fā)產(chǎn)生高內(nèi)部蒸汽壓，可引起“爆米花開裂”（popcorn cracking），即封裝內(nèi)發(fā)生爆炸性分層或斷裂的現(xiàn)象。
濕氣傾向于積聚在材料界面處，削弱層間的粘附力，并在熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力下增加分層的可能性。在運(yùn)行條件下，濕氣吸收也增加了電化學(xué)反應(yīng)的風(fēng)險，這會腐蝕金屬組件并損害電氣性能。此外，增加的濕氣含量會改變封裝材料的介電性能，提高介電常數(shù)和損耗角正切，從而降低信號完整性和功率效率。濕氣的存在還會影響聚合物的熱導(dǎo)率，降低其散熱效率，并可能導(dǎo)致設(shè)備過熱和加速老化。鑒于這些風(fēng)險，減輕濕氣吸收的影響對于提高半導(dǎo)體封裝的可靠性至關(guān)重要。為此，已開發(fā)出各種可靠性測試和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以評估和確保封裝材料在濕氣暴露下的性能。
濕氣敏感度測試是半導(dǎo)體行業(yè)的一項(xiàng)關(guān)鍵測試，旨在評估電子封裝暴露在潮濕環(huán)境時的敏感度水平。半導(dǎo)體器件，尤其是那些封裝在聚合物基材料中的器件，在制造、儲存或運(yùn)行期間容易吸收濕氣。該測試特別針對塑料表面貼裝器件(SMDs)，其定義和描述見聯(lián)合IPC/JEDEC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)J-STD-020E。
濕氣/回流敏感度測試包含兩個主要階段：濕氣預(yù)處理和回流，如下圖所示。濕氣預(yù)處理階段模擬了塑料封裝表面貼裝元件在防護(hù)性干燥袋打開后可能經(jīng)歷的工廠環(huán)境條件?；亓麟A段復(fù)制了表面貼裝焊接過程，使元件經(jīng)受回流焊爐典型的高溫。
濕氣敏感度測試在半導(dǎo)體行業(yè)中通常被稱為預(yù)處理測試（Preconditioning Test）或Precon Test。濕氣敏感度等級(MSLs)及其相應(yīng)的浸泡條件詳見下表。
六個定義的敏感度等級范圍從濕氣不敏感(MSL1)到極度敏感(MSL6：使用前需烘烤)。這些MSL等級旨在復(fù)制塑料封裝表面貼裝集成電路(IC)在干燥袋打開后能夠安全承受的平均最嚴(yán)酷工廠環(huán)境條件。例如，如果工廠環(huán)境維持在30°C/60%相對濕度，則MSL3器件必須在168小時內(nèi)組裝。遵守這些條件確保器件得到適當(dāng)處理，最大限度地降低組裝和運(yùn)行期間濕氣誘發(fā)失效的風(fēng)險。
無偏壓高度加速應(yīng)力測試(Unbiased Highly Accelerated Stress Test, HAST)是半導(dǎo)體封裝行業(yè)中使用的一種可靠性測試方法，用于評估電子元件在加速的溫度和濕度條件下的耐濕性和長期性能。術(shù)語“無偏壓”指的是在測試期間未對器件施加電偏壓，這將其與施加了電勢的有偏壓HAST區(qū)分開來。這種測試旨在模擬和加速長期暴露在潮濕環(huán)境中的影響，從而能夠預(yù)測器件在真實(shí)世界條件下的可靠性。通過使器件承受比正常條件更嚴(yán)酷的環(huán)境，HAST提供了對潛在失效機(jī)制（如分層和開裂）的洞察，并有助于確保半導(dǎo)體封裝的可靠性和穩(wěn)健性。
通常使用三種常見的無偏壓HAST條件：
•JESD22-A101中的穩(wěn)態(tài)溫濕度壽命測試。
•JESD22-A118中的加速耐濕性-無偏壓HAST。
•JESD22-A102中的加速耐濕性-無偏壓高壓蒸煮測試。
測試條件和持續(xù)時間概述于下表中。
各種無偏壓HAST標(biāo)準(zhǔn)允許在不同應(yīng)力水平下靈活測試半導(dǎo)體器件。雖然85°C/85% RH的溫濕度(TH)測試作為耐濕性的基礎(chǔ)評估，但提升的HAST條件(121°C/100% RH和130°C/85% RH)為在嚴(yán)苛條件下的可靠性提供了加速的洞察，這些測試對于識別封裝材料和工藝中的弱點(diǎn)至關(guān)重要。
有偏壓高度加速應(yīng)力測試(Biased HAST)涉及在測試期間對器件施加電偏壓。這種額外的應(yīng)力模擬了真實(shí)世界的運(yùn)行條件，并加速了由電和環(huán)境因素相互作用產(chǎn)生的失效機(jī)制。有偏壓HAST特別驅(qū)動電誘發(fā)的失效機(jī)制，如介質(zhì)擊穿和金屬化學(xué)電遷移（通常稱為腐蝕）。這些機(jī)制不同于在無偏壓HAST條件下觀察到的機(jī)制（后者主要涉及材料退化相關(guān)的失效，如開裂和分層）。
有偏壓HAST通常結(jié)合高溫和高濕條件進(jìn)行，以加速腐蝕和其他濕氣相關(guān)失效模式的發(fā)生。施加的偏壓會加劇電解效應(yīng)，促進(jìn)離子遷移和金屬溶解。該測試對于評估在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的半導(dǎo)體器件的長期可靠性至關(guān)重要，尤其是在存在濕氣的情況下。
下表提供了常用溫度、濕度和電偏壓測試條件的總結(jié)。值得注意的是，偏壓參數(shù)通常不被視為加速因子，而是運(yùn)行條件的代表。測試標(biāo)準(zhǔn)，包括JESD22-A101和JESD22-A110，規(guī)定了有偏壓HAST所需的具體測試條件和持續(xù)時間，確保對半導(dǎo)體器件性能進(jìn)行一致且可靠的評估。
烘烤不足是半導(dǎo)體封裝中對供應(yīng)商和用戶都至關(guān)重要的問題。對于供應(yīng)商而言，烘烤的主要目的是在將器件密封在干燥袋中之前去除殘留濕氣，從而防止在后續(xù)板級焊料回流過程中損壞器件。對于用戶而言，每當(dāng)超過建議的車間壽命限制時，就需要進(jìn)行干燥烘烤。
干燥封裝前的烘烤條件在IPC/JEDEC J-STD-033中有描述，該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)濕氣敏感度等級和封裝配置提供了具體指南。例如，如下表所示，對于暴露在相對濕度≤60% RH環(huán)境中的封裝，推薦了默認(rèn)烘烤時間。
封裝“爆米花”現(xiàn)象（Package "popcorning"）是表面貼裝(SM)焊接回流過程中常見的濕氣誘發(fā)失效模式。當(dāng)封裝吸收的濕氣在回流過程中快速蒸發(fā)時，會產(chǎn)生內(nèi)部蒸汽壓和應(yīng)力，導(dǎo)致分層或開裂。濕氣敏感度測試是產(chǎn)品開發(fā)和認(rèn)證階段確定塑料封裝IC器件濕氣敏感度等級的關(guān)鍵前提。
封裝“爆米花”現(xiàn)象的發(fā)展通常發(fā)生在四個階段，如下圖所示。
在階段1（預(yù)處理），封裝從環(huán)境中吸收濕氣。這是一個耗時的過程，如J-STD-020所規(guī)定。例如，濕氣敏感度等級3(MSL3)測試要求在30°C/60% RH條件下進(jìn)行192小時的濕氣浸泡。在此階段，大氣濕氣被吸收到封裝的自由體積、聚合物材料中的納米孔中，尤其是在界面處。
在階段2，封裝后的器件經(jīng)受回流條件，峰值溫度通常在220至260°C之間。回流過程在幾分鐘內(nèi)完成。溫度的快速上升導(dǎo)致介電薄膜、粘合劑、封裝劑和塑料PCB等聚合物材料變得高度柔順，因?yàn)樗鼈兊臏囟瘸^了玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)，導(dǎo)致楊氏模量和界面粘附強(qiáng)度顯著下降。同時，凝結(jié)的濕氣蒸發(fā)，在封裝內(nèi)產(chǎn)生高內(nèi)部蒸汽壓。這些效應(yīng)的結(jié)合導(dǎo)致在弱界面處（如芯片貼裝(DA)/芯片界面）發(fā)生分層。汽化的濕氣在分層界面處施加牽引載荷，進(jìn)一步加劇分層。
在階段3，封裝內(nèi)不斷增加的蒸汽壓可能導(dǎo)致可見的鼓包，進(jìn)一步惡化分層過程。在階段4，裂紋可能萌生并向外側(cè)擴(kuò)展。一旦裂紋到達(dá)封裝外部，高壓水蒸氣會突然釋放，通常伴隨可聽見的聲響。“爆米花”一詞在半導(dǎo)體行業(yè)中已被廣泛用于描述回流過程中的濕氣誘發(fā)失效，即使封裝沒有表現(xiàn)出可見鼓包或可聽見的水蒸氣釋放。
下面5張圖展示了在濕氣敏感度測試期間觀察到的各種失效模式。
圖1顯示了引線封裝中關(guān)鍵界面分層和隨后本體封裝劑內(nèi)開裂的圖像。
圖2描繪了回流后引線封裝的鼓包，說明了內(nèi)部蒸汽壓導(dǎo)致的物理變形。
圖3展示了一個PBGA封裝橫截面的SEM圖像示例，顯示了芯片/芯片貼裝界面和芯片貼裝/阻焊膜界面的分層。
圖4是倒裝芯片封裝中熔融焊料滲入分層界面的橫截面圖像。在回流溫度下，焊料熔化，如果基板和底部填充之間發(fā)生分層，熔融焊料會滲入分層區(qū)域，造成大規(guī)模損壞。
圖5是一個罕見而有趣的圖像，顯示了回流后封裝外的焊球。在回流過程中，位于底部填充(UF)和阻焊劑之間的熱通孔周圍首先發(fā)生分層。然后分層擴(kuò)展并最終到達(dá)底部填充的邊緣。在回流過程中，隨著內(nèi)部蒸汽壓的建立，它推動熔融焊料向外流動。
聚合物材料在吸收濕氣時會膨脹。無偏壓高度加速應(yīng)力測試(HAST)條件的目的是評估封裝在各種涉及濕度和溫度的環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性。吸濕膨脹導(dǎo)致材料尺寸變化，類似于熱膨脹失配引起熱應(yīng)力的方式。在這種情況下，除了熱應(yīng)力之外還會產(chǎn)生濕氣應(yīng)力。此外，濕氣顯著影響界面粘附力，可能導(dǎo)致沿較弱界面發(fā)生分層，從而導(dǎo)致器件失效。
濕氣通過三種機(jī)制的組合影響界面完整性：
1.水分子直接存在于界面，通過與聚合物鏈結(jié)合來降低界面粘附力。研究表明，除了本體材料中的濕氣吸收外，額外的水分子傾向于在界面處積聚。
2.吸收的濕氣改變了聚合物材料的機(jī)械性能，并導(dǎo)致超出溫度引起的長期老化效應(yīng)，可能導(dǎo)致測量的斷裂韌性的模式混合度發(fā)生變化。
3.潮濕環(huán)境中聚合物材料的溶脹引起不同材料之間的體積膨脹失配。這種效應(yīng)在涉及聚合物和金屬的接頭中尤為明顯。由于金屬不透濕氣，只有聚合物吸收濕氣，導(dǎo)致顯著的濕氣應(yīng)變失配。
下圖展示了聚酰亞胺在高溫（130°C）和高濕（85% RH）無偏壓條件下的分層情況。然而，在單獨(dú)的高溫存儲（130°C）條件下未觀察到失效。
下圖顯示了在高壓蒸煮條件（121°C/100% RH）下銅凸點(diǎn)區(qū)域的分層。
下圖是無偏壓HAST條件下通孔區(qū)域分層的例子。
下圖展示了HAST期間底部填充溶脹誘發(fā)失效的示意圖。底部填充溶脹產(chǎn)生的額外拉伸應(yīng)力與ILD/UBM層粘附力下降的綜合效應(yīng)，導(dǎo)致了凸點(diǎn)區(qū)域的分層/開裂。
總之，聚合物材料的溶脹和界面強(qiáng)度的退化是無偏壓HAST條件下失效的關(guān)鍵機(jī)制。
在高度加速應(yīng)力測試(HAST)中，有偏壓和無偏壓條件下的失效機(jī)制有根本區(qū)別。在有偏壓HAST下，施加的電勢導(dǎo)致電化學(xué)遷移(ECM，Electrochemical Migration)和離子污染相關(guān)的失效。這些過程由電場驅(qū)動，電場促進(jìn)濕氣和離子的移動，導(dǎo)致腐蝕引發(fā)的退化。相比之下，無偏壓HAST側(cè)重于在極端環(huán)境應(yīng)力（如高溫高濕）下評估材料的完整性和可靠性，而不施加電偏壓。
電化學(xué)遷移(ECM)的機(jī)制涉及金屬在陽極（正電極）的溶解，以及隨后金屬離子或?qū)щ娊饘俳j(luò)合物沿著濕氣路徑向陰極（負(fù)電極）的傳輸。在陰極，這些金屬離子被還原并沉積為純金屬，形成向回朝著陽極生長的枝晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)這些金屬枝橋連接兩個電極時，就會發(fā)生短路，導(dǎo)致漏電失效。
這種現(xiàn)象是由電極處水的電解驅(qū)動的。在陽極，水的電解產(chǎn)生H?離子，形成酸性環(huán)境，有利于金屬溶解和離子形成。相反，在陰極，水解釋放出OH?離子，導(dǎo)致堿性環(huán)境，促進(jìn)金屬沉淀。
ECM的發(fā)生需要三個基本條件：
1.滲透性濕氣路徑：離子遷移的通道。
2.遷移離子源：提供移動的離子。
3.偏置電壓：作為離子遷移的驅(qū)動力。
溫度也通過增加離子遷移率和降低表面溶液的粘度（增強(qiáng)導(dǎo)電性）來加速ECM過程。如果沒有施加偏置電壓，離子遷移的驅(qū)動力取決于參與電極的電化學(xué)勢。施加偏置電壓克服了這一障礙，顯著增加了有偏壓系統(tǒng)中發(fā)生ECM的可能性。
某些金屬，如金(Au)、鈀(Pd)和鉑(Pt)，通常耐腐蝕。然而，離子雜質(zhì)（特別是氯化物Cl?）的存在會引發(fā)絡(luò)合反應(yīng)，釋放出金屬或金屬絡(luò)合物陽離子，使這些金屬易受ECM影響。在這種情況下，ECM活性與雜質(zhì)離子濃度成正比。例如，較高濃度的NaCl會導(dǎo)致形成更多的金屬-離子絡(luò)合物，加速枝晶生長并增加短路風(fēng)險。
組裝過程中的殘留物或空氣中的顆粒等污染物會加劇ECM，將其對相對濕度(RH)的依賴性轉(zhuǎn)移到較低水平。這些殘留物通常具有吸濕性，會形成濕氣吸附點(diǎn)，使得在低于飽和點(diǎn)的RH水平下發(fā)生凝結(jié)。其中，組裝過程中的助焊劑殘留物特別有害。這些殘留物可以改變材料的表面性質(zhì)，增加其吸濕傾向，或直接降解成為濕氣源，進(jìn)一步促進(jìn)ECM。
半導(dǎo)體器件中的枝晶生長是指在電化學(xué)遷移(ECM)影響下，導(dǎo)電金屬枝晶（樹狀結(jié)構(gòu)）的形成和延伸。當(dāng)金屬在陽極（正電極）溶解，通過濕氣等導(dǎo)電路徑遷移，并在陰極（負(fù)電極）沉積為純金屬時，就會發(fā)生這種現(xiàn)象。
該過程始于金屬離子在陽極的溶解，由電解驅(qū)動，電解創(chuàng)造了有利于離子形成的酸性環(huán)境。這些離子然后在施加電場的影響下沿濕氣路徑傳輸。在陰極，離子被還原，金屬以分支的枝晶模式沉積。隨著時間的推移，這些枝晶向回朝著陽極生長，最終橋接兩個電極之間的間隙。
下圖展示了TAB引線封裝在156°C/85%RH有偏壓條件下40小時后銅枝晶的示例。
下圖顯示了在有偏壓HAST條件150小時后基板中的溶解銅跡線和銅枝晶。
由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)中固有的緊密電極間距和精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)，枝晶生長在半導(dǎo)體器件中尤其成問題。高濕度、離子污染物（如氯離子）的存在以及高溫等因素可以顯著加速枝晶生長速率。
導(dǎo)電陽極絲(CAF)是在印刷電路板(PCB)內(nèi)部發(fā)生的一種失效機(jī)制，其中在電路板的絕緣材料中形成兩條導(dǎo)體之間非預(yù)期的導(dǎo)電路徑。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致電氣短路、漏電流，并最終導(dǎo)致電子設(shè)備失效。CAF作為一種電化學(xué)過程發(fā)展，需要特定條件，包括濕氣侵入、離子污染物和施加的電場。
該過程始于濕氣吸收到PCB中（通常指FR-4等玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂）。濕氣作為電解質(zhì)，在電場影響下實(shí)現(xiàn)離子遷移。這種遷移通常沿著玻璃纖維和環(huán)氧樹脂之間的界面發(fā)生，這些界面容易出現(xiàn)微裂紋、空隙或弱粘附。這是一種從陽極向陰極沿著分層纖維/環(huán)氧樹脂界面生長的電化學(xué)腐蝕過程。陽極處pH值下降導(dǎo)致可溶性銅腐蝕產(chǎn)物的生成。與枝晶生長不同，CAF發(fā)生在亞表面，沿著玻璃纖維/環(huán)氧樹脂界面，并從陽極生長。CAF由可溶性銅鹽構(gòu)成，并由于pH效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄喳}而形成，如下圖所示。
下圖展示了PCB中通孔到通孔的CAF生長。
總之，微電子器件中的電化學(xué)遷移(ECM)失效影響的不僅僅是芯片和封裝級別的導(dǎo)線。任何含金屬的組件，例如電容器、焊點(diǎn)（如球柵陣列中的焊球）以及引線鍵合器件中的鍵合線，都容易受到ECM影響。在促成因素中，濕氣的可用性是此失效機(jī)制最關(guān)鍵的因素。抑制或控制濕氣侵入可以顯著延長器件的有效壽命，降低ECM相關(guān)失效的可能性。最近的研究集中在理解聚合物介電系統(tǒng)中濕氣吸收的基礎(chǔ)原理，并開發(fā)模型來預(yù)測和減輕枝晶生長。
綜上所述，本節(jié)系統(tǒng)講述了濕氣可靠性的物理基礎(chǔ)，揭示了聚合物吸濕特性與標(biāo)準(zhǔn)測試方法的關(guān)聯(lián)。解析了三大失效場景：回流蒸汽壓破壞（機(jī)械）、無偏壓溶脹應(yīng)力（材料）、有偏壓離子遷移（電化學(xué)），為失效防治提供理論依據(jù)。
來源：Internet
關(guān)于我們 聯(lián)系我們 營業(yè)執(zhí)照 全國服務(wù)電話：400-818-0021 嘉峪檢測版權(quán)所有 備案號：京ICP備14047019號-2 
京公網(wǎng)安備11010802046783號
