一、背景

Flip-Chip封装在高端芯片中越来越普及，但按照JEDEC标准的bHAST条件（130℃/85%RH 96 h）加速试验却频频报“漏电/短路”失效，而传统的THB条件（85 ℃/85%RH 1000 h）却一切正常。
LSI实验室用6层板--2-2-2 build-up substrate当做试验对象，通过试验设计设计了一组对照试验，根据长时间的系统实验，找到了问题根因——铜迁移。

 

二、JEDEC JESD47和湿度相关的实验一览

    湿度分带电（Biased）和不带电（Unbiased）两种，这两种分别考核不同的失效模型和机理。

失效模型和机理简介

1、Biased（带电）--“电化学迁移”模型，关键词：电场 + 离子 + 金属迁移

机理

水汽在树脂或界面形成连续水膜，成为电解质；

阳极金属（Cu、Ag、Sn）被电解：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻；

金属离子在电场作用下向阴极迁移；

到达阴极后被还原，形成树枝状金属须（Dendrite）；

须状物桥接两极，造成瞬时短路或漏电流增加。

典型失效形态

铜须沿Build-Up树脂内部生长（Flip-Chip 案例）；

银迁移沿 PCB 表面绿油边缘爬行；

焊球间桥接，导致BGA短路。

驱动因子排序

电场强度 > 湿度 > 温度 > 金属活性。

考核目的

模拟产品在工作电压下长期受潮，评估电路功能性失效风险。

 

2、Unbiased（不带电）--“化学腐蚀 / 氧化”模型，关键词：水汽 + 杂质离子 + 无电场

机理

水汽吸附在金属表面，溶解空气中的 CO₂、Cl⁻、S²⁻ 等形成弱酸；

金属发生均匀腐蚀或局部点蚀，生成氧化物或盐膜；

无电场驱动，离子不会定向迁移，因此不会长出金属须；

腐蚀产物导致接触电阻升高、键合强度下降，但不会瞬间短路。

典型失效形态

铝键合盘发黑（生成 Al₂O₃ 或 AlCl₃）；

铜焊盘绿锈（Cu₂(OH)₃Cl）；

锡球表面氧化，后续装配虚焊。

驱动因子排序

湿度 > 杂质离子浓度 > 温度。

考核目的

模拟运输、仓储或断电停机时的受潮风险，评估长期可焊性与机械完整性。

 

一句话总结

Biased 怕“铜树”——短路的瞬间杀手；

Unbiased 怕“生锈”——性能的慢性毒药。

 

三、LSI实验室验证设置的实验条件 vs 结果速查表

结论：温度 ≥125 ℃ + 高湿度 + 电场 是铜迁移三要素。

失效形貌：实验失效的样品可见铜离子迁移形貌

 

 

四、物理失效模型（通俗易懂版）

吸湿后 Tg 降低：build-up 树脂干态 Tg≈150 ℃；吸湿后降到 125 ℃ 以下。

树脂软化：温度 > Tg → 自由体积增大，铜离子“游”得动。

电场驱动：Cu → Cu⁺ + e⁻，离子沿电场沉积到阴极，形成铜须。

五、对可靠性工程师的 3 点启示

慎用 ≥125 ℃ 的 bHAST

JEDEC 已提示可能产生“人造失效”，本实验证实。

如需加速，优先提高湿度而非温度

110–120 ℃/85 %RH 区间 528 h 仍无失效，时间换安全。

设计端考虑

• 增加铜-铜间距
• 选用低吸湿 build-up 材料或低离子含量树脂

 

来源：Top Gun 实验室

关键词： Flip-Chip封装铜 迁移失效