離子遷移的機(jī)理、危害和對(duì)策

林金堵本刊名譽(yù)主編吳梅珠（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

離子遷移的機(jī)理、危害和對(duì)策

林金堵
本刊名譽(yù)主編
吳梅珠
（江南計(jì)算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

概述了在印制板中“離子遷移”（CAF）漏電的機(jī)理、危害和對(duì)策.明確提出PCB走向高密度化和信號(hào)傳輸高頻化的條件下，“離子遷移”漏電將走向嚴(yán)重化,要求進(jìn)行CAF的測試與管控的重要性.

離子遷移；機(jī)理和條件；雜質(zhì)和通道；濕氣和電勢(shì)；對(duì)策和改善

“離子遷移”（Ion Migration）漏電是“導(dǎo)電陽極絲”（Conductive Anode Filament）漏電，“陰極-陽極絲”（Cathode-Anodic Filament）漏電和“相比漏電起痕指數(shù)”（CTI，Comoarative Tracking Index）等的總稱。它是指在PCB中互相絕緣的導(dǎo)體之間、或由導(dǎo)體組成的互相絕緣的”網(wǎng)絡(luò)”之間，在電場等作用下發(fā)生“漏電”或短路的電氣故障問題。離子遷移往往在PCB中的層面上導(dǎo)體之間（導(dǎo)線之間、焊盤之間和導(dǎo)線與焊盤之間）、層與層之間、孔與孔之間等處發(fā)生漏電的電氣故障現(xiàn)象，而且正隨著PCB高密度化（導(dǎo)體之間距離縮小、絕緣層厚度減薄）、多功能化和信號(hào)傳輸高頻化與高速數(shù)字化的發(fā)展而越來越嚴(yán)重化起來，已經(jīng)引起用戶越來越重視而成為重要的測試和管控項(xiàng)目之一。

1 離子遷移的提出和危害

隨著PCB（或電子產(chǎn)品）的高密度化、多功能化和便攜化，離子遷移引起的電氣故障比率越來越多，已經(jīng)成為電子產(chǎn)品故障中最重要的故障之一。從離子遷移的機(jī)理和后果得知其危害是嚴(yán)重的。

1.1 離子遷移的提出和證實(shí)。

最早研究和提出離子遷移的現(xiàn)象是20世紀(jì)50年代（1955年）由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室G.T.Kohman等人提出的，他們發(fā)現(xiàn)在電話交換機(jī)的連接件中，有些鍍?cè)阢~接線柱上的銀在酚醛基板內(nèi)被檢出，從而證實(shí)是銀離子（Ag+）向酚醛介質(zhì)層遷移而引起酚醛基板絕緣性能下降（漏電和短路）的結(jié)果！其原因是銀鍍層在受潮和直流電壓下銀產(chǎn)生離子化而形成的。后來的研究表明，通過大量試驗(yàn)和實(shí)踐表明，除了銀外，在PCB中的錫、銅和鋁等金屬導(dǎo)體都可能發(fā)生離子遷移現(xiàn)象。

1.2 ”離子遷移”已經(jīng)成為電子產(chǎn)品故障中最重要的故障之一

自從20世紀(jì)90年代以來，隨著電子產(chǎn)品全面地走上”表面安裝”、接著進(jìn)入”芯片級(jí)”的組裝時(shí)期，要求PCB等高密度化、薄型化和多功能化發(fā)展，使得PCB中出現(xiàn)：導(dǎo)線越來越細(xì)小、間距越來越小；鉆孔直徑越來越小；連接盤尺寸和間距越來越小；絕緣介質(zhì)層越來越?。恍盘?hào)傳輸速度越來越快；工作電壓越來越低而電流越來越大；板內(nèi)發(fā)熱量越來越高；采用無鉛焊接受熱溫度更高更長等。這些因素誘發(fā)”離子遷移”造成的故障率越來越嚴(yán)重化，越來越成為電子產(chǎn)品在使用過程中而發(fā)生的故障,逐漸成為最大隱患之一！

2 離子遷移的機(jī)理和條件

2.1 離子遷移的機(jī)理.

在PCB或電子產(chǎn)品中，由于存在著化學(xué)品殘留物、腐蝕氣體、灰塵、金屬離子或?qū)щ姷年栯x子和濕氣（水份）等在電場作用下，通過絕緣層的表面、縫隙、裂痕、微孔、界面等發(fā)生離子遷移而導(dǎo)致絕緣性能下降或電氣短路故障.這些金屬離子或非金屬離子（如NH4+）在濕氣和電場作用下由陽極通過”絕緣層（表面或內(nèi)部）”向陰極移動(dòng)的陽離子而造成絕緣性能下降或電氣短路現(xiàn)象稱為離子遷移漏電故障。這種現(xiàn)象也包括錫須和銀絲等的增長在內(nèi)的導(dǎo)電陽極絲（CAF）的漏電故障!

2.2 離子遷移的必要和充分條件

從產(chǎn)生離子遷移的機(jī)理中可知，產(chǎn)生離子遷移的必要和充分條件應(yīng)滿足下面四個(gè)方面。

（1）在導(dǎo)體表面或”絕緣層（表面或內(nèi)部）”存在著正離子等雜質(zhì)。

這些雜質(zhì)如金屬微粒及其離子化（Cu、Ag、Sn及其Cu2+、Ag+、Sn2+）、NH3與NH4+等，在電場和潮濕（水份）的作用下，這些離子會(huì)從陽極向陰極發(fā)生遷移造成絕緣性能下降、漏電或短路。

（2）存在著、可離子遷移的”通道”或”空間”。

離子遷移的發(fā)生是需要”通道”的，即在陽極導(dǎo)體和陰極導(dǎo)體之間的介質(zhì)層中存在著”通道”——縫隙、分層、裂縫、剝離等缺陷，這些”缺陷”能吸濕或存有微量的液體形成電解質(zhì)，在電場作用下，使陽離子向陰極移動(dòng)而形成離子”通道”。

（3）存在著離子遷移的”載體”（液體或濕氣）。

由于介質(zhì)層、或介質(zhì)層與導(dǎo)體間的界面存在著各種各樣的縫隙、撕裂、分層和熱機(jī)殘留應(yīng)力等形成可吸收和容納潮氣（液體或濕氣）而變成可使離子遷移的載體。

（4）存在著電場或電壓（位）差（驅(qū)動(dòng)力）。

盡管存在著離子型雜質(zhì)、可離子遷移的”通道”和使離子遷移的”載體”，但只有再加上電場或形成”電壓差”時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生（驅(qū)動(dòng)）離子遷移而造成導(dǎo)體間絕緣層性能下降而發(fā)生”漏電”或短路問題。

當(dāng)然，還有導(dǎo)體之間的金屬絲形成，特別是鍍錫后形成錫絲、鍍銀后產(chǎn)生銀絲等，也是屬于CAF漏電的范疇，其原理與過程是相同的。

3 PCB發(fā)生離子遷移的主要部位

PCB中的離子遷移現(xiàn)象是隨著PCB高密度化而嚴(yán)重化。大多數(shù)發(fā)生在：（1）導(dǎo)通孔與導(dǎo)通孔之間；（2）在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與焊盤之間和焊盤與焊盤之間；（3）銅層與銅層（通過介質(zhì)層）之間。而在高密度化板中，導(dǎo)通孔與導(dǎo)通孔之間產(chǎn)生CAF幾率往往是最大的。

（1）導(dǎo)通孔與導(dǎo)通孔之間CAF。

這是PCB產(chǎn)生CAF的重點(diǎn)方面，主要原因有三大方面：①來自基材（CCL），由于樹脂中殘留離子或氨等、玻纖布與樹脂之間的界面是最薄弱（微裂縫、分層、氣泡、）之處，往往會(huì)會(huì)發(fā)生微分離現(xiàn)象，導(dǎo)致在”在制板”加工(特別是濕加工)過程中溶液或離子滲入界面處；②鉆孔加工過程，鉆孔參數(shù)不當(dāng)或鉆頭磨損而產(chǎn)生介質(zhì)層內(nèi)的變形、撕裂等；③孔金屬化和電鍍銅產(chǎn)生的CAF，粉紅（暈）圈（過去有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定已經(jīng)不適用于今天高密度化的要求了）形成（特別是黑氧化處理更為嚴(yán)重）、鍍液滲透或濃度差等形成的。

（2）在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與焊盤之間和焊盤與焊盤之間產(chǎn)生CAF。

主要是指同一層面上的導(dǎo)體之間“絕緣”質(zhì)量，這主要是由于導(dǎo)體之間介質(zhì)層存在著雜質(zhì)（加工過程污染、間隙小清潔不夠等）、氣隙（如阻焊劑拐角等）、結(jié)合力低（阻焊劑與基體之間在加工時(shí)剝離）、吸濕等，在電場作用下產(chǎn)生CAF。

（3）銅層與銅層（介質(zhì)層）之間產(chǎn)生CAF。

這種導(dǎo)體與導(dǎo)體之間的漏電——CAF是發(fā)生在介質(zhì)層內(nèi)，主要原因是：①樹脂層內(nèi)雜質(zhì)離子、微氣泡等存在；②玻纖與樹脂之間撕裂（結(jié)合力差或殘留應(yīng)力大）等而造成樹脂脆裂。主要是來源于基材和鉆孔加工而形成的“通道”。

4 產(chǎn)生離子遷移的雜質(zhì)和“通道”的主要來源

4.1 基材（CCL）

（1）耐離子遷移能力。MC-2≤環(huán)氧樹脂/kEVLAR＜FR-4≈PI＜G-10＜CEM-3＜氰酸酯類＜BTMC-2（聚酯-玻纖布）基板的耐離子遷移的能力是最差的，而BT基板是最好的。常規(guī)的FR-4又比高Tg的FR-4差，雙氰胺為固化劑的FR-4又比酚醛為固化劑的FR-4差。

（2）添加劑帶來的雜質(zhì)。引入的固化劑、催化劑等的添加劑中帶來的雜質(zhì)離子。

（3）填料化引起的。為了改善基材的性能而加入的陶瓷基材料而帶來的雜質(zhì)形成的離子。

（4）樹脂與玻纖布等界面結(jié)合力和殘留內(nèi)應(yīng)力。

（5）防吸潮、防污染等形成的。其中要注意防止CCL的存放、運(yùn)輸?shù)臈l件（溫濕度、污染等）而引起的吸濕或凝結(jié)水。

4.2 PCB的高密度化

PCB高密度化主要是線寬/間距精細(xì)化、導(dǎo)通孔微小化和介質(zhì)層薄 型化等而達(dá)到輕、薄、短、小的目的。

4.2.1 線寬/間距

高密度化的主要內(nèi)容之一是線寬/間距（L/S）越來越小。PCB線寬/間距（L/S）將會(huì)迅速走向微精細(xì)化，其加工、處理都發(fā)生“質(zhì)”的變化。即：

（1）線寬/間距（μm）的微小化。

100/100→80/80→50/50→40/50→30/40→20/25→15/20→10/12→

（2）L/S精細(xì)化帶來問題越來越多。

蝕刻難度大，特別是常規(guī)的CCL 板材的界面粗糙度大、間隙小，銅箔蝕刻干凈難；

清潔難度大，同理，由于間隙越來越小并易于污染，要求清潔度高；

阻焊劑填塞困難、易形成氣隙。

由于微小導(dǎo)線間表面的殘留物清除、清潔困難加大，給CAF帶來問題增大。

4.2.2 微小孔和節(jié)距

（1）孔微小化趨勢(shì)。

孔徑微小化（μm）：ф300→ф200→ф150→ф100→ф80→ф50→ф40→ф30

（2）層壓加工。

當(dāng)層壓參數(shù)波動(dòng)或半固化片（PP）的半固化程度變化時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)：

缺膠——界面結(jié)合力小，易于被撕裂；

固化不足——界面殘留應(yīng)力大或形成”微凹縮”，易于被撕裂；

固化過頭——界面易于脆裂或脫落。

（3）孔的加工。

孔壁粗糙度要求。粗糙度是缺陷，會(huì)帶來很多問題，如殘留物等。隨著孔小而粗糙度要減少：要求粗糙度越小越好，由40 μm→20 μm→15 μm→介質(zhì)層撕裂。介質(zhì)層中最薄弱處玻纖與樹脂之間，易于被撕裂。

鍍液殘留問題。這些都會(huì)增加出現(xiàn)CAF 問題。

（4）多次濕法加工處理（吸收濕、烘烤等），所有薄弱處都會(huì)“加大”，并給CAF產(chǎn)生埋下隱患。

4.2.3 介質(zhì)層薄型化

PCB發(fā)展與進(jìn)步的標(biāo)志之一是介質(zhì)層薄型化，主要考量是：（1）絕緣性能（包括CAF）；（2）特性阻抗性能。因此，要求介質(zhì)層完整性和厚度一致性是重要因素。

（1）介質(zhì)層薄型化趨勢(shì)。

介質(zhì)層厚度（μm）：100→80→50→40→30→20→15→10→

（2）介質(zhì)層的完整性。

防止薄芯片（板）和半固化片出現(xiàn)任何缺陷（微氣泡、微裂縫、折彎、雜質(zhì)等），這些都會(huì)成為發(fā)生CAF隱患。

4.3 孔金屬化和電鍍

4.3.1 粉紅圈造成

在常規(guī)密度的PCB中，按IPC規(guī)定，存在粉紅圈是可接收的！但是，在今天的高密度和高頻信號(hào)傳輸下，當(dāng)粉紅圈深入到10 μm以上，加上可聚集成”溶液”，產(chǎn)生CAF問題已有實(shí)例而證實(shí)。因此，粉紅圈必須控制或不可接受(收)。

4.3.2 鍍液殘留（滲入）形成

以含有離子或分子狀態(tài)的電鍍、溶液是可以滲透（入）到一切有缺陷（凹陷、裂縫、空隙等）的地方，這是形成CAF的主要原因（條件）之一。

4.4 清潔度

由于PCB的高密度化發(fā)展，必須要求相應(yīng)地提高清潔劑（如水等）純度或加工清潔的等級(jí)。

（1）加大（長）DI水洗段或延長時(shí)間；

（2）浸洗后加噴淋（含提高水壓力）；

（3）縮短半成品（特別是最后經(jīng)過的裸板）停、存放時(shí)間以防止再（次）污染。

5 防止CAF的主要措施

從根本上來說，防止產(chǎn)生CAF的實(shí)質(zhì)是提高原材料的質(zhì)量（含純凈度等）、制造加工過程技術(shù)和清潔度等三大問題。

（1）選擇合適的基板材料類型及其性能等級(jí)。

要根據(jù)印制板的類型、性能和要求等來選擇相關(guān)的基材。對(duì)于高密度互連和高頻信號(hào)的傳輸板來說，必須選擇耐離子遷移能力強(qiáng)和性能等級(jí)高的材料，如BT、氰酸脂和酚醛為固化劑的FR-4等。

（2）制定合適的制造與加工技術(shù)或等級(jí)。

同理，應(yīng)根據(jù)印制板的類型、性能和要求等來制定其制造與加工技術(shù)，從圖形轉(zhuǎn)移、鉆孔、孔金屬化與電鍍一直到表面涂（鍍）覆層處理與完成等工程，都要制定具體的制造規(guī)程與監(jiān)控以滿足耐CAF的要求。

（3）采用合適的清潔技術(shù)和清潔度（等級(jí)）。

除了選擇耐CAF的基材和制定相應(yīng)而具體的制造規(guī)程與監(jiān)控外，還必須制定相應(yīng)的清潔技術(shù)和清潔度（等級(jí)）。如清潔水的等級(jí)和清潔制度、環(huán)境（清潔）要求等，才能保證印制板加工過程中的清潔度的要求。

（4）具體問題具體分析。

盡管產(chǎn)生CAF的因素非常多，但總是存在著最主要的因素，只有抓住最主要的因素（通過試驗(yàn)、觀察、測試和分析），落實(shí)改進(jìn)措施，CAF的問題是可以解決的。

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The mechanism, harm and improvement of CAF

LIN Jin-du WU Mei-zhu

The paper describes the mechanism ,harm and improvement of CAF in PCB. The seriousness of CAF is increasing under the condition of function of the high-density and high-frequency with transmission signal. The importance of test and control in CAF is required.

CAF; Mechanism and Condition; Impurity and Passage; Moisture and Potential; Countermeasure and Improvement

TN41

A

1009-0096（2014）02-0048-03