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（