在可靠度试验中，有一项高加速应力试验（Highly Accelerated Temperature and Humidity Stress Test；HAST），主要是在测试IC封装体对温湿度的抵抗能力，藉以确保产品可靠度。这项试验方式是需透过外接电源供应器，将DC电压源送入高压锅炉机台设备内，再连接到待测IC??座（Socket）与测试版（HAST board），进行待测IC的测试。

然而这项试验看似简单，但在宜特多年的可靠度验证经验中，却发现客户都会遇到一些难题需要克服。特别是晶片应用日益复杂，精密度不断提升，晶片采取如球栅阵列封装（Ball Grid Array；BGA）和晶片尺寸构装（Chip Scale package；CSP）封装比例越来越高，且锡球间距也越来越小，在执行HAST时，非常容易有「电化学迁移」（Electrochemical migration；ECM）现象的产生，造成晶片於可靠度实验过程中发生电源短路异常。而每当此现象时，相信您一定会疑问，「到底是样品制程中哪一道步骤影响後续实验，还是实验环境端未控制好?」本文将深入探讨此问题及分享如何预防ECM现象发生。

何谓电化学迁移（Electrochemical migration；ECM）

金属离子在电场的作用下，电路的阳极和阴极之间会形成一个导电通道（图一），产生电解腐蚀。样式如树枝状结构生长，造成不同区域的金属互相连接（图二），进而导致电路短路。ECM现象好发於电路板上（图三）。

图一 : ECM原理

图二 : 电化学迁移析出树枝状金属

图三 : HAST实验後产生ECM（好发於电路板上）

造成电化学迁移（ECM）最大因素

造成ECM形成的最大因素为「电解质层形成」，电解质层的形成会产生自由离子进而增加导电率。而会加速电解质层形成的原因大多为湿度、温度、汗水、环境中的污染物、助焊剂化学物、板材材料、表面粗糙度等因素，因此，如何预防电解质层形成极为重要。

焊点助焊剂清洁程度影响ECM发生多寡

IC晶片封装成BGA後，於植球时会使用助焊剂（Flux）确保两种不同的金属或合金连接顺利。宜特可靠度验证实验室就观察到，Flux制程後，若没有进行清洁动作，不仅残留物将阻碍Underfill流动路径（图四），导致填充胶无法填满晶片底部，造成许多的气泡，更会加剧ECM的发生。

图四 : Flux未清洗，阻塞Underfill流动。

速读Underfill制程与原理

Underfill通常使用环氧树脂（Epoxy），它的原理是利用毛细作用，将Epoxy涂抹在晶片的边缘，使其渗透到晶片底部，完整包覆每一颗焊点，并加热固化，藉此有效提高焊点的机械强度，进而提高晶片的使用寿命（图五）。

图五

Underfill制程多被运用在手持装置，如手机或平板的电路板设计，来自於这些装置必须通过严苛的冲击试验（Mechanical shock test）与震动试验（Vibration test），若未进行Underfill制程，手持式装置中晶片的焊点，将无法承受如此严苛测试条件。

然而，在进行Underfill制程操作中，容易受到各种因素影响，或多或少会产生气泡（Void）。这些因素包括胶管本身含有气泡、点胶温度及路径、温度固化的叁数，晶片设计锡球矩阵、锡膏助焊剂成份..等，皆可能导致Underfill无法完全包覆晶片底部的锡球，大幅降低焊点保护效果。

宜特可靠度验证实验室，特别进行两项实验设计（DOE），实验条件套用HAST常见的温度:130。C/湿度:85%RH，使用助焊剂为坊间常见免清洗型助焊剂。第一项DOE样品不做助焊剂清洁（Flux clean），第二项DOE样品做助焊剂清洁（Flux Clean），DOE结果可清楚看到，未做Flux Clean的样品，出现了ECM现象（图六（左）），而有做Flux Clean的样品，尽管同样出现ECM现象（图六（右）），但非常细微。

图六 : 免清洗型助焊剂ECM试验

从此实验中，我们可以了解到，尽管植球时已使用免清洗型助焊剂，但仍会有些微Flux残留，故在执行高温、高湿实验过程中，是否进行清除助焊剂（Flux clean）湿式制程，是影响ECM发生多寡因素之一，不可忽视。

当然，Flux Clean手法流程、清洗时间掌握与液体溶剂使用方式，皆须视样品大小、数量、使用何种Flux…等等做调整，才能达到有效的清洁。

在实验过程中，环境与人员操作手法会影响ECM产生

HAST实验使用的机台皆为压力锅炉设计，机台内部管线架构复杂，容易累积脏污，故须定期安排清洁保养，按照原厂提供的机台保养手册进行维护，保持机台内部洁净。

此外，在进行实验作业过程时，操作人员须全程配戴手套，即可避免手汗中的钠离子、钾离子、钙离子等成分造成污染。

如何在HAST可靠度试验时，及时发现ECM?

透过以上各种实验前置预防方法，将可有效并大幅降低ECM发生风险，但若仍疏漏了其他环节，而造成ECM或其他耗电异常现象发生，则如何於实验过程中即时发现呢?

在宜特可靠度验证实验室中，可透过电源管理系统和电源模组配置（图七（左）），搭配客制化的电路设计，除强化自动化功能外，亦增加电源监控功能，使每片HAST board都能被独立监控，於实验过程中，动态确认历程记录（图七（右）），不仅可确保测试过程的稳定性，更能即早发现产品异常现象，避免产品或电路板被严重破坏，无法继续後续失效分析。

图七