PCB板高温高湿偏置试验后的失效分析_张浩敏.pdf

PCB 板高温高湿偏置试验后的失效分析张浩敏1，2，李鹏1，2，沈旭刚1，2，陈铁柱1，2（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州511370；2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波315040）摘要：针对PCB板在高温高湿偏置试验后的失效问题进行了分析。详细地介绍了分析的过程和手段，包括形貌观察、电参数测试、声学扫描检测、扫描电镜、能谱分析和离子色谱分析等分析手段，获得了导致PCB板漏电失效的原因是由于Cl-的电化学腐蚀和电化学迁移，内部芯片存在分层现象，使得水汽进入芯片内部，发生爆米花效应，内键合线拉脱，芯片电连接不良而失效。关键词：高温高湿偏置试验；电化学腐蚀；爆米花效应；失效分析中图分类号：TN 41文献标志码：A文章编号：1672-5468（2022）01-0016-07doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2022.01.004Failure Analysis of PCB after High Temperature andHigh Humidity Bias TestZHANG Haomin1，2，LI Peng1，2，SHEN Xugang1，2，CHEN Tiezhu1，2（1.CEPREI，Guangzhou 511370，China；2.Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China）Abstract：The failure of PCB after high temperature and high humidity bias test isanalyzed.The analysis process and methods are introduced in detail，including morphologicalobservation，electricalparametertesting，acousticscanningdetection，scanningelectronmicroscopy and energy spectrum analysis and ion chromatography analysis.It is found that thereason for the leakage failure of PCB board is due to the electrochemical corrosion and migration ofCl ions，and the stratification phenomenon exits in the inner chip，which causes water vapor toenter the chip，and the popcorn effect occurs，and the internal bond line pulls out，which leadsto the failure of the chip due to poor electrical connection.Keywords：high temperature and high humidity bias test；electrochemical corrosion；popcorneffect；failure analysis收稿日期：2021-05-27修回日期：2021-12-24作者简介：张浩敏（1988），男，安徽池州人，工业和信息化部电子第五研究所、宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司工程师，主要从事电子元器件分析测试工作。电 子 产 品 可 靠 性 与 环 境 试 验ELECTRONIC PRODUCT RELIABILITY AND ENVIRONMENTAL TESTING可靠性物理与失效分析技术2022年2月第40卷 第1期Vol40 No1 Feb.，20220引言随着集成电路制造朝着小型化、高功率密度及多功能集成的方向发展，严苛条件（例如：高温高湿）下的器件可靠性受到更加广泛的关注1。高温高湿偏置试验（H3TRB：High Temperature HighHumidity Bias）是一种标准地反映有关腐蚀和其他湿度驱动的退化机制的加速寿命测试，可对器件在高湿环境下的长期可靠性进行考核。通常在温度为DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN16DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期85，湿度为85%RH的条件下加偏置电压测试1 000 h来预测被测装置25年的运行寿命，因此，该试验通常也被称为双85环境试验2-4。置于高温高湿的双85试验环境下，PCB板及其内部器件由于受水汽的侵入，侵入速度与环境温度呈正相关，水汽依次扩散侵入器件外壳、封装，最终到达芯片表面。芯片表面的水汽在高电场的作用下电解为氢离子与氢氧根离子，进而促使金属离子的电化学迁移过程、电化学腐蚀并导致器件及PCB板的失效，因此需要在封装时就对其气密性做严格的控制5-8。本文以某公司的控制PCB板双85环境试验过程中的失效作为典型案例，采用多种失效分析技术对其进行分析与研究，最终确认PCB板为电化学腐蚀、离子迁移，导致样品内部漏电失效，样品芯片由于水汽进入而导致发生爆米花效应，内部电连接不良而失效。1案例分析1.1样品概况案例分析所用的样品为某公司生产的PCB控制组件，其中7只失效样品，本案编号为A1、A3和A5#，以及D1-4#；1只良品，本案编号为G1#。器件失效现象为：样品为控制组件。在双85（85，85%RH）加电测试约200600 h后，发生失效，失效表现为灯泡负载（功率为600 W，电流为23 A）不亮。委托方在测试板上测得的具体情况如表1所示。1.2外观检查为了检查样品是否是在安装、试验和使用等过程中造成的损坏，利用体视显微镜对失效样品进行外部检查。失效样品为环氧灌封，塑料外壳表面未见明显的过电烧毁或机械损伤。失效样品的塑封表面有胶状物残留，清洗后观察，表面型号标识可见。其中样品A1、A3#的典型形貌如图1所示。表1委托方现场功能测试结果样品编号现场测试现象测试结果A1#红灯灭绿灯亮OUT1故障OUT2正常A3#红灯灭绿灯亮OUT1故障OUT2正常A5#红灯亮绿灯灭OUT1正常OUT2故障D1#红、绿灯均灭OUT1故障OUT2故障D2#红、绿灯均灭OUT1故障OUT2故障D3#红灯亮绿灯灭OUT1正常OUT2故障D4#红灯灭绿灯亮OUT1正常OUT2故障G1#红、绿灯均亮OUT1正常OUT2正常aA1#正面形貌bA1#背面形貌cA1#底部灌封胶形貌dA3#正面形貌张浩敏等：PCB板高温高湿偏置试验后的失效分析17电子产品可靠性与环境试验DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN电子产品可靠性与环境试验2022年1.3电参数测试为了确定失效样品的失效特性，鉴别失效模式，利用晶体管图示仪测量7只失效样品各个引脚之间的I-V特性，并与良品进行对比。测试结果显示：A1#样品OUT1和GND之间的I-V特性与良品有明显的不同，如图2所示；A3#各个引脚之间的I-V特性与良品一致；A5#样品OUT2和GND之间的I-V特性与良品有明显的不同，如图3所示；D1#和D2#样品OUT1和OUT2与GND之间均呈开路特性。D3#样品OUT2与GND之间的I-V特性与良品有明显的不同；D4#样品OUT1和OUT2与GND之间的I-V特性与良品有明显的不同。1.4声学扫描检查对D2#和D3#样品进行声学扫描检查，结果如图4所示。从图4中可以看出，D2#样品正面芯片和塑封料之间、基板和塑封料之间可见明显的分层；D3#样品正面基板和塑封料之间，以及部分引线框架和塑封料之间均可见明显的分层（图中灰色区域表示分层），这说明失效样品芯片内部普遍存在分层的现象。1.5A1、A3、A5和D3#样品分析1.5.1 A1#样品环境试验将A1#样品烘烤48 h后，重新进行功能测试，A1#样品功能恢复正常。重新进行双85潮热试验后，样品故障现象能复现。说明：样品PCBbD3#样品正面声学扫描形貌图4失效样品D2、D3#的声学扫描形貌图fA3#底部灌封胶形貌图1失效样品A1、A3#的外观形貌图eA3#背面形貌图3A5#样品OUT1和GND之间开路图2A1#与G1#样品OUT1和GND的I-V曲线对比aD2#样品正面声学扫描形貌18DIANZI CHANPIN KEKAOXING YU HUANJING SHIYAN第1期板上存在离子漏电通道，烘烤后，漏电通道消失，样品功能恢复正常；潮热试验后，离子漏电通道恢复，故障现象复现。1.5.2 A1#样品开封检查为了检查失效样品内部芯片是否符合要求，是否存在与失效模式有关的内部结构异常或缺陷。对失效样品进行机械开封，观察内部全貌。开封观察，A1#样品PCB板上电容器和电阻端头变黑，呈现腐蚀的形貌特征，如图5a所示。EDS能谱分析结果如图5b所示，从图5b中可以看出，PCB表面器件端头焊点的主要元素成分为碳（C）、氧（O）、镍（Ni）、铜（Cu）、铝（Al）、硅（Si）、氯（Cl）、锡（Sn）、钙（Ga）、钡（Ba）和钛（Ti）。PCB板上多处元器件端头和PCB板表面均能检测到氯元素（Cl）。开封后，重新上电进行功能测试，发现A1#样品功能恢复正常，A1#样品芯片IC1引脚之间的I-V特性曲线与良品芯片一致，未见明显的漏电或串阻等异常。继续研磨至A1#样品芯片表面进行观察。A1#样品芯片内键合良好，未见脱落，表面金属化未见腐蚀或过电烧毁的异常。EDS能谱分析结果如图6所示，从图6中可以看出，芯片内键合点区域的主要元素成分为碳（C）、氧（O）、铜（Cu）、铝（Al）和硅（Si）。芯片表面未见明显的腐蚀特征。1.5.3 A1#样品离子色谱分析由于样品PCB板上多处元器件端头和PCB板表面均能检测到大量的氯，为了进一步地确认上述物质中氯的存在形式，对A1#样品PCB板表面进行离子色谱分析，分析结果如表2所示。由分析结果可知，A1#样品PCB板表面上的氯元素主要以氯离子（Cl-）的形式存在。说明样品PCB板上存在氯离子腐蚀、漏电。1.5.4 A3、A5和D3#样品开封A3、A5和D3#样品内部失效情况与A1#样品基本一致。PCB板上电容器和电阻端头也可见变黑，呈现腐蚀的形貌特征。EDS能谱分析结果如图7所示，从图7中可以看出，3只样品PCB表面器件端头焊点的主要元素成分为碳（C）、氧表2 A1#样品离子色谱分析结果样品编号被测位置氯离子（Cl-）磷酸根离子（PO43-）A1#PCB表面0.38 g/cm2未检出IC1芯片引脚/未检出IC1芯片表面/未检出b A1#样品电容器端头EDS能谱分析结果图5A1#样品板上电容器的形貌图及端头的能谱分析结果aA1#样品板上电容器整体形貌ElementWt%At%CK19.8447.05OK16.3829.15NiL11.275.47CuL7.633.42AlK0.520.55SiK0.710.72ClK3.012.42SnL19.934.78CaK0.410.29BaL15.283.17TiK5.032.993.52.7KCnt1.80.90.0OCSnCuAuAlSiNiClSnCaBaTiE/keV0.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00图6A1#样品焊盘腐蚀后的EDS能谱分析结果2.41.8KCnt1.20.60.0E/keV0.501.001.502.002.503.003.504.004.505.005.503.1OCCuAlSiElementWt%At%CK18.5039.82OK0.721.16CuL33.0813.46AlK43.7741.94SiK3.933.61张浩敏等：PCB板高温高湿偏置试验后的失效分析19电子产品可靠性与