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18um铜线产品可靠性测试

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: xh-studios.com 发布日期: 2020.11.11
    待完成芯片的封装以后,需要对产品进行可靠性方面的测试,以保证在长期使用中的可靠性。可靠性实验在封装中由Precon和Long term Test两部分组成。
    1、可靠性测试项目简介
    1.1 Precon介绍

    又称MRT,是用来模拟芯片从运输到上板的整个流程(图5-1)。


流程图


    (1) TEMP Cycle Test
    TC的条件是-55℃~125℃,5个周期;用来模拟芯片运输过程中高低温的变化,尤其是针对空运。
    (2) Dry Bake
    Dry Bake的条件是125℃下储存24小时,用来模拟为芯片打包过程中的高温状况。
    (3) Temp&Humidity Test

    T&H的条件分为6级,用来模拟芯片在生产过程中环境温度和湿度,通常我们使用Level3 (表5-1)。


TH分级


    (4) IR Reflow

    IR Reflow的条件是在在240度的烘箱内过三遍,用来模拟芯片在做SMD时的状况(图5-2)。


Reflow示意图


    (5) O/S Test
    O/S Test 是用来测试芯片内部短路开路情况,因为用来做MRT的芯片都是通过初期电性能测试的,所以O/S测试用来验证MRT的条件会不会有因为封装造成的失效。
    (6)SAM

    SAM也叫SAT,是用超声波来做断层扫描的一种检测方法,利用超声波在不同表面会造成反射的原理(图5-3),可以检测到材料中的不同材料之间断层等等,在BGA封装中可以检测银浆空洞(EpoxyVoid),环氧树脂空洞(MoldVoid),树脂与芯片之间的断层( Delamination)等等。


SAM原理示意图


    SAT根据观测手段分为A SCAN,B SCAN,C SCAN和TSCAN.本实验内用到C SCAN。

    1)A SCAN:由于材料之间会发生反射,将示波器的到反射的波形来和正常波形进行对比,来判断在什么位置发生问题(图5-4)。


SCAN波形


    2)B SCAN:在元器件的垂直方向做切片式扫描。

    3)T SCAN:与A SCAN相反,T SCAN利用另一个探头接受穿透后的超声波,转化成电信号来分析(图5-5)。


SCAN 原理及波形


    4)C SCAN:元器件的水平方向做切片式扫描,C SCAN是我们此次试验中需要用到的。
    进行CSCAN时,需要首先将超声波的能量焦点置于需要检查的位置,即固定的水平面,启动描后探头对整个元器件进行逐行扫描,原理仍然是不同物体间的反射,整个过程结束后,计算机自动合成结果,但是需要人工判断缺陷(图5-6)。

    C SCAN是最精确的空洞,断层等缺陷的分析方法。


C SCAN扫描图


    1.2耐久性实验介绍(Long Term Test )

    耐久性实验既是芯片的老化试验,浴盆曲线代表了半导体器件的失效分布和时间的关系,48小时内的前期失效是属于潜在的质量问题,在48小时到106小时内是失效率相对较低的,106 小时后属于老化失效(图5-7)。所以,根据芯片的不同用途,耐久性实验也分为不同的级别,如下图: 


浴盘曲线


    对于不同的芯片封装结构,用途等考量,试验者会选取具有针对性的可靠性测试的项目,我们此次只是金线更换铜线的线材更换试验,所以根据查阅公司规范文件,需要做的可靠性测试是MRT,TC和HTS,可选项HAST,如下表5-1:


材料与测试项对应表


    以下针对高低温测试(TC),高温存储测试(HTS),高压潮气测试(HAST)  三种测试做一个简单的介绍。
    (1)高低温冲击测试(Temp Cycle Test)
    半导体器件工作和不工作的温度相差比较大,TC测试用来测试芯片本身由于热胀冷缩导致的材料间分层,根本原因是由于不同材料的热膨胀系数不同。
    TC的测试条件是:
    1)温度: -65℃~150℃
    2)时间: 15Min/区间

    3) 1000 Cycle


TCT示意图


    T/C以后的失效模式主要是Open/Short的失效。

    1) Open 的失效来源于EMC与芯片表面分层导致的焊球脱离或焊线断裂(图5-9)。


焊线断裂SEM照片


    2) Short 的失效来源于Chip Crack (图5-10)。


Chip Crack示意图


    (2)高温存储测试(High Temp Storage Test )

    半导体器件持续运行的问题很高,高温会加速一些材料间的分子级别的扩散,主要集中在焊球和焊盘之间,由于扩散速度不同的加速,导致产生Kirkendall空洞,严重者会造成焊点分离(图5-11)。


K V示意图-1


K V示意图



    HTS的测试条件是:
    1)温度: 150℃
    2)时间: 1000hrs
    HTS以后主要的失效模式是Open失效。
    (3)高压潮气测试(Highly Accelerated Stress Test)
    芯片在使用过程中会遇到不同的外部环境,HAST测试既是模拟了芯片(通常是商用和民用)会遇到的高压高湿度的环境。
    潮气在高温的作用下会渗透进封装内部,和芯片内的金属发生氧化反应,造成一定的破坏。
    HAST的测试条件是:
    1)温度: 130℃ 
    2)湿度: 85%
    3)时间: 168hrs
    HAST的主要失效模式是Open/Short。

    1) Open 主要是潮气对焊盘的腐蚀,造成了虚焊(图5-12)。


焊盘腐蚀前后对比图


    2) Short 主要是由于潮气的渗入,造成了EMC内部有漏电(图5-13)。


漏电现象图


    1.3铜线封装的可靠性测试流程
    芯片封装的可靠性测试流程通常是Precon+Long Term Test, 通过Precon测试的芯片将继续进行耐久性的测试。

    芯片测试数量的选取按照客户对于芯片可靠性等级的要求来确定,通常是SQB评估(Qual Level B),所以必须设置3个实验组,每个实验组的数量是22+3x77=253 (表5-2)。


SQB实验数量要求


    (1) MRT的条件

    MRT的条件如下表5-3:


MRT的条件


    (2)Long Term的条件

    Long Term的条件如下表5-4:


Long TERM的条件


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