PCT測試目的與應(yīng)用

作者:江志宏

說明：

PCT試驗(yàn)一般稱為壓力鍋蒸煮試驗(yàn)或是飽和蒸汽試驗(yàn)，最主要是將待測品置于嚴(yán)苛之溫度、飽和濕度(100%R.H.)[飽和水蒸氣]及壓力環(huán)境下測試，測試代測品耐高濕能力，針對印刷線路板(PCB&FPC)，用來進(jìn)行材料吸濕率試驗(yàn)、高壓蒸煮試驗(yàn)..等試驗(yàn)?zāi)康模绻郎y品是半導(dǎo)體的話，則用來測試半導(dǎo)體封裝之抗?jié)駳饽芰Γ郎y品被放置嚴(yán)苛的溫濕度以及壓力環(huán)境下測試，如果半導(dǎo)體封裝的不好，濕氣會沿者膠體或膠體與導(dǎo)線架之介面滲入封裝體之中，常見的故裝原因：爆米花效應(yīng)、動金屬化區(qū)域腐蝕造成之?dāng)嗦贰⒎庋b體引腳間因污染造成之短路..等相關(guān)問題。

壓力蒸煮鍋試驗(yàn)(PCT)結(jié)構(gòu)：
試驗(yàn)箱由一個(gè)壓力容器組成，壓力容器包括一個(gè)能産生100%（潤濕）環(huán)境的水加熱器，待測品經(jīng)過PCT試驗(yàn)所出現(xiàn)的不同失效可能是大量水氣凝結(jié)滲透所造成的。
澡盆曲線：
澡盆曲線(Bathtub curve、失效時(shí)期)，又用稱為浴缸曲線、微笑曲線，主要是顯示產(chǎn)品的于不同時(shí)期的失效率，主要包含早夭期(早期失效期)、正常期(隨機(jī)失效期)、損耗期(退化失效期)，以環(huán)境試驗(yàn)的可靠度試驗(yàn)箱來說得話，可以分爲(wèi)篩選試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)(耐久性試驗(yàn))及失效率試驗(yàn)等。進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)"試驗(yàn)設(shè)計(jì)"、"試驗(yàn)執(zhí)行"及"試驗(yàn)分析"應(yīng)作爲(wèi)一個(gè)整體來綜合考慮。

 

常見失效時(shí)期：
早期失效期(早夭期，Infant Mortality Region)：不夠完善的生産、存在缺陷的材料、不合適的環(huán)境、不夠完善的設(shè)計(jì)。 隨機(jī)失效期(正常期，Useful Life Region)：外部震蕩、誤用、環(huán)境條件的變化波動、不良抗壓性能。 退化失效期(損耗期，Wearout Region)：氧化、疲勞老化、性能退化、腐蝕。

環(huán)境應(yīng)力與失效關(guān)係圖說明：
依據(jù)美國Hughes航空公司的統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，環(huán)境應(yīng)力造成電子產(chǎn)品故障的比例來說，高度佔(zhàn)2%、鹽霧佔(zhàn)4%、沙塵佔(zhàn)6%、振動佔(zhàn)28%、而溫濕度去佔(zhàn)了高達(dá)60%，所以電子產(chǎn)品對于溫濕度的影響特別顯著，但由于傳統(tǒng)高溫高濕試驗(yàn)(如：40℃/90%R.H.、85℃/85%R.H.、60℃/95%R.H.)所需的時(shí)間較長，為了加速材料的吸濕速率以及縮短試驗(yàn)時(shí)間，可使用加速試驗(yàn)設(shè)備(HAST[高度加速壽命試驗(yàn)機(jī)]、PCT[壓力鍋])來進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，也就所謂的(退化失效期、損耗期)試驗(yàn)。

 

θ 10℃法則：
討論産品壽命時(shí)，一般採用[θ10℃法則]的表達(dá)方式，簡單的說明可以表達(dá)爲(wèi)[10℃規(guī)則]，當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升10℃時(shí)，産品壽命就會減少一半；當(dāng)周圍環(huán)境溫度上升20℃時(shí)，産品壽命就會減少到四分之一。 這種規(guī)則可以說明溫度是如何影響産品壽命(失效)的，相反的產(chǎn)品的可靠度試驗(yàn)時(shí)，也可以利用升高環(huán)境溫度來加速失效現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)行各種加速壽命老化試驗(yàn)。

濕氣所引起的故障原因：
水汽滲入、聚合物材料解聚、聚合物結(jié)合能力下降、腐蝕、空洞、線焊點(diǎn)脫開、引線間漏電、晶片與晶片粘片層脫開、焊盤腐蝕、金屬化或引線間短路。 水汽對電子封裝可靠性的影響：腐蝕失效、分層和開裂、改變塑封材料的性質(zhì)。

PCT對PCB的故障模式：
起泡(Blister)、斷裂(Crack)、止焊漆剝離(SR de-lamination)。

半導(dǎo)體的PCT測試：
PCT最主要是測試半導(dǎo)體封裝之抗?jié)駳饽芰Γ郎y品被放置嚴(yán)苛的溫濕度以及壓力環(huán)境下測試，如果半導(dǎo)體封裝的不好，濕氣會沿者膠體或膠體與導(dǎo)線架之介面滲入封裝體之中，常見的故裝原因：爆米花效應(yīng)、動金屬化區(qū)域腐蝕造成之?dāng)嗦贰⒎庋b體引腳間因污染造成之短路..等相關(guān)問題。

PCT對IC半導(dǎo)體的可靠度評估項(xiàng)目：
DA Epoxy、導(dǎo)線架材料、封膠樹脂 腐蝕失效與IC：腐蝕失效(水汽、偏壓、雜質(zhì)離子)會造成IC的鋁線發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而導(dǎo)致鋁線開路以及遷移生長。

塑封半導(dǎo)體因濕氣腐蝕而引起的失效現(xiàn)象：
由于鋁和鋁合金價(jià)格便宜，加工工藝簡單，因此通常被使用爲(wèi)積體電路的金屬線。從進(jìn)行積體電路塑封製程開始，水氣便會通過環(huán)氧樹脂滲入引起鋁金屬導(dǎo)線産生腐蝕進(jìn)而産生開路現(xiàn)象，成爲(wèi)品質(zhì)管理最爲(wèi)頭痛的問題。雖然通過各種改善包括採用不同環(huán)氧樹脂材料、改進(jìn)塑封技術(shù)和提高非活性塑封膜爲(wèi)提高産品質(zhì)量進(jìn)行了各種努力，但是隨著日新月異的半導(dǎo)體電子器件小型化發(fā)展，塑封鋁金屬導(dǎo)線腐蝕問題至今仍然是電子行業(yè)非常重要的技術(shù)課題。

鋁線中産生腐蝕過程：
① 水氣滲透入塑封殼內(nèi)→濕氣滲透到樹脂和導(dǎo)線間隙之中
② 水氣滲透到晶片表面引起鋁化學(xué)反應(yīng)

加速鋁腐蝕的因素：
①樹脂材料與晶片框架介面之間連接不夠好(由于各種材料之間存在膨脹率的差異)
②封裝時(shí)，封裝材料摻有雜質(zhì)或者雜質(zhì)離子的污染(由于雜質(zhì)離子的出現(xiàn))
③非活性塑封膜中所使用的高濃度磷
④非活性塑封膜中存在的缺陷

爆米花效應(yīng)(Popcorn Effect)：
說明：原指以塑膠外體所封裝的IC，因其晶片安裝所用的銀膏會吸水，一旦末加防范而逕行封牢塑體后，在下游組裝焊接遭遇高溫時(shí)，其水分將因汽化壓力而造成封體的爆裂，同時(shí)還會發(fā)出有如爆米花般的聲響，故而得名，當(dāng)吸收水汽含量高于0.17%時(shí)，[爆米花]現(xiàn)象就會發(fā)生。近來十分盛行P-BGA的封裝元件，不但其中銀膠會吸水，且連載板之基材也會吸水，管理不良時(shí)也常出現(xiàn)爆米花現(xiàn)象。

水汽進(jìn)入IC封裝的途徑：
1.IC晶片和引線框架及SMT時(shí)用的銀漿所吸收的水 2.塑封料中吸收的水分 3.塑封工作間濕度較高時(shí)對器件可能造成影響； 4.包封后的器件，水汽透過塑封料以及通過塑封料和引線框架之間隙滲透進(jìn)去，因?yàn)樗苣z與引線框架之間只有機(jī)械性的結(jié)合，所以在引線框架與塑膠之間難免出現(xiàn)小的空隙。 備注：只要封膠之間空隙大于3.4*10^-10m以上，水分子就可穿越封膠的防護(hù) 備注：氣密封裝對于水汽不敏感，一般不採用加速溫濕度試驗(yàn)來評價(jià)其可靠性，而是測定其氣密性、內(nèi)部水汽含量等。

 

針對JESD22-A102的PCT試驗(yàn)說明：

用來評價(jià)非氣密封裝器件在水汽凝結(jié)或飽和水汽環(huán)境下抵御水汽的完整性。 樣品在高壓下處于凝結(jié)的、高濕度環(huán)境中，以使水汽進(jìn)入封裝體內(nèi)，暴露出封裝中的弱點(diǎn)，如分層和金屬化層的腐蝕。該試驗(yàn)用來評價(jià)新的封裝結(jié)構(gòu)或封裝體中材料、設(shè)計(jì)的更新。 應(yīng)該注意，在該試驗(yàn)中會出現(xiàn)一些與實(shí)際應(yīng)用情況不符的內(nèi)部或外部失效機(jī)制。由于吸收的水汽會降低大多數(shù)聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，可能會出現(xiàn)非真實(shí)的失效模式。

外引腳錫短路：封裝體外引腳因濕氣引起之電離效應(yīng)，會造成離子遷移不正常生長，而導(dǎo)致引腳之間發(fā)生短路現(xiàn)象。

濕氣造成封裝體內(nèi)部腐蝕：

濕氣經(jīng)過封裝過程所造成的裂傷，將外部的離子污染帶到晶片表面，在經(jīng)過經(jīng)過表面的缺陷如：護(hù)層針孔、裂傷、被覆不良處..等，進(jìn)入半導(dǎo)體原件裡面，造成腐蝕以及漏電流..等問題，如果有施加偏壓的話故障更容易發(fā)生。

PCT試驗(yàn)條件:

(整理PCB、PCT、IC半導(dǎo)體以及相關(guān)材料有關(guān)于PCT[蒸汽鍋測試]的相關(guān)測試條件) PCT測試目的與應(yīng)用