CAF失效研究之通道的形成

李 勇

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518053）

1 前言

伴隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為滿(mǎn)足用戶(hù)體驗(yàn)，各類(lèi)電子產(chǎn)品向多功能，小型化的方向發(fā)展。此舉意味著作為電子產(chǎn)品的核心部件印制電路板，必須在更小，更薄的空間內(nèi)承載更多的電子線(xiàn)路及器件。從電路板的制造方來(lái)看，加工的板件的孔徑越來(lái)越小，孔的密度也越來(lái)越密，有數(shù)據(jù)顯示在2006年以前有鉛焊接時(shí)代，我們孔壁間距至少保持在0.5 mm ～ 0.75 mm以上，而如今，很多孔徑做到了0.25 mm，孔壁間距也來(lái)到了0.25 mm。這意味著孔壁間形成通道的概率大大增加，所以CAF問(wèn)題，在各個(gè)廠(chǎng)商中都頻繁的發(fā)生，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代電路板行業(yè)最棘手的可靠性問(wèn)題。然而，這還不是此問(wèn)題最可怕的地方，此問(wèn)題最令電路板制作商頭痛的地方在于，按照目前的方法此問(wèn)題很難被發(fā)現(xiàn)，往往只有等到終端客戶(hù)上線(xiàn)使用失效后，來(lái)進(jìn)行反查才能夠追蹤到，此時(shí)往往為時(shí)已晚，各種問(wèn)題后遺癥接踵而至，后果不堪設(shè)想。而本文不僅針對(duì)CAF這一問(wèn)題作了系統(tǒng)性的研究，同時(shí)對(duì)于如何確認(rèn)其是否存在CAF風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題也提出了觀(guān)察的方法，希望對(duì)遇到此問(wèn)題的讀者能夠有一些借鑒的意義。

2 CAF簡(jiǎn)介

所謂CAF即為英文Conductive Anodic Filament的縮寫(xiě)，是指在兩個(gè)絕緣網(wǎng)絡(luò)中由于銅離子的遷移形成一條導(dǎo)通的線(xiàn)路從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效或者工作不穩(wěn)定的可靠性問(wèn)題。其形成的過(guò)程可描述為CU在通道中，和電解質(zhì)反應(yīng)形成CU+或者cu++,在電壓差的作用下CU+/CU++不斷的向低壓極移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中又被其中的物質(zhì)還原成CU，而停留在通道中，此過(guò)程不斷的重復(fù)，直到CU在通道中累積到兩邊導(dǎo)通，不再有電壓差之后，才會(huì)停止，此時(shí)CAF形成，板件失效。

從其形成的過(guò)程來(lái)看，CAF形成必須具備很多的條件。

必須具有可移動(dòng)導(dǎo)通的銅；

必須存在可讓銅被氧化的電解質(zhì)；

必須存在電解質(zhì)溶解的水或者水汽；

兩級(jí)之間必須存在能夠讓銅離子遷移的電壓差；

兩級(jí)之間必須存在一個(gè)讓銅離子移動(dòng)的通道。

以上5個(gè)條件任意缺其一都不能夠形成CAF，條件這么多看似發(fā)生的概率很低，但是了解電路板和其制造過(guò)程的讀者應(yīng)該很清楚，如條件1、2、3在電路板加工過(guò)程中都不可避免的存在，而條件4則是設(shè)計(jì)過(guò)程中也必然存在的因素。所以此時(shí)防止CAF問(wèn)題的發(fā)生，就轉(zhuǎn)化成為如何防止CAF通道的產(chǎn)生了。而此過(guò)程于電路板制造過(guò)程密切相關(guān)，所以本文將著重于此部分進(jìn)行介紹。

3 CAF通道介紹

如圖1所示，通道往往形成于玻纖布之間，原因在于在半固化片在浸膠過(guò)程中由于玻纖布有阻礙作用，浸膠比較困難，所以此處在于整個(gè)電路板中來(lái)看是最脆弱的地方。在機(jī)械加工過(guò)程中此處承受能力最弱，形成微小的裂紋，從而形成的CAF通道。從豎磨切面中可以看到很明顯的微裂紋，然而其平磨的切片對(duì)應(yīng)的位置是什么現(xiàn)象呢？如圖2所示：為一種孔環(huán)四周發(fā)白的現(xiàn)象，在本文中就叫做玻纖布發(fā)白。綜合圖2圖3大家可以清楚的認(rèn)識(shí)到，玻纖布發(fā)白的原因就是因?yàn)椴＠w布中間有裂紋，玻纖發(fā)白就會(huì)有CAF通道形成風(fēng)險(xiǎn)，所以在本文中后續(xù)將會(huì)以玻纖布發(fā)白來(lái)代替CAF通道這一說(shuō)法；鑒于此，本文的試驗(yàn)中引入平磨切片的方式來(lái)觀(guān)察CAF的通道。

圖1 CAF通道形成于玻布之間

圖2 平磨切片玻纖發(fā)白

圖3 縱磨切片玻纖發(fā)白位置有裂紋

4 通道形成的原因探究及預(yù)防對(duì)策

4.1 原因分析

由通道的形成可知，其主要位于玻纖布上，所以不同的玻璃布的半固化片對(duì)于通道的形成會(huì)有一定的影響。其次，通道往往形成于孔壁之間，而玻璃布本身不會(huì)產(chǎn)生裂紋，所以鉆孔的過(guò)程中可定會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響；再者，鉆孔后的沉銅前，孔壁裸露所以此時(shí)去鉆污的藥水是否會(huì)對(duì)其產(chǎn)生沖擊呢？圍繞以上三點(diǎn)本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出其影響程度的大小及影響的原理。

4.2 通道與半固化片配置的關(guān)系

如表1所示：試驗(yàn)設(shè)計(jì)向銅波布不同含膠量的對(duì)比試驗(yàn)，相同厚度，不同玻纖布的影響。出配置不一樣以外實(shí)驗(yàn)其他條件完全相同。

如表1中結(jié)果所示：玻纖布越粗其波現(xiàn)發(fā)白越嚴(yán)重，而含膠量高低在此處顯得沒(méi)有多少區(qū)別了。原因在于波布越粗，其浸膠效果越差，此處也就越脆弱，在機(jī)械加工的沖擊下，其首先出現(xiàn)問(wèn)題或者其出現(xiàn)的問(wèn)題也隨之越大就不足為奇了。所以預(yù)防CAF的第一項(xiàng)，玻纖布的使用需要限制，越薄越好，盡量使用2116以下的半固化片。

4.3 通道形成與鉆孔的關(guān)系

由前面的原因分析知道，機(jī)械加工時(shí)對(duì)孔壁薄弱地段進(jìn)行沖擊，從而產(chǎn)生裂紋，然而其只是產(chǎn)生了機(jī)械沖擊這么簡(jiǎn)單嗎？還會(huì)不會(huì)有其他的因素影響呢？下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

表1 PP配置試驗(yàn)方案及結(jié)果

圖4 方案三縱磨切片圖

針對(duì)鉆孔，設(shè)計(jì)了2類(lèi)試驗(yàn)：一類(lèi)為鉆孔的方式的實(shí)驗(yàn)，另外一類(lèi)為鉆孔的參數(shù)的實(shí)驗(yàn)；具體試驗(yàn)方案和結(jié)果如下所示。

4.3.1 鉆孔方式實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)除了鉆孔方式不同以外，鉆孔參數(shù)，其他條件完全相同，使用的半固化片為IT180A1080RC65。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，分步鉆孔明顯好于一次鉆孔，其實(shí)很多熟悉PCB加工過(guò)程尤其時(shí)鉆孔工藝的工程師都知道，分布鉆的時(shí)候?qū)妆跊_擊小，其效果肯定好于一次鉆孔。這點(diǎn)確實(shí)沒(méi)錯(cuò)，在這里我們先不下結(jié)論，等鉆孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)完成后再做結(jié)論。

4.3.2 鉆孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)全部采用一次鉆孔，只有參數(shù)不同，其他條件全部相同由試驗(yàn)結(jié)果看，進(jìn)刀加快時(shí)缺陷數(shù)量明顯減少，出現(xiàn)的一個(gè)僅有的缺陷也非常的輕微。說(shuō)明進(jìn)刀速加快對(duì)于玻纖發(fā)白有明顯的改善作用。然而熟悉鉆孔工藝的工程師都知道，進(jìn)刀速度越快，其對(duì)于孔壁的沖擊越大，玻纖布發(fā)白應(yīng)該越嚴(yán)重才對(duì)。此時(shí)，實(shí)驗(yàn)和理論的矛盾出現(xiàn)了。

4.3.3 綜合小結(jié)

表面上看，鉆孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論矛盾了，但是結(jié)合鉆孔方式試驗(yàn)一起看，分步鉆結(jié)果改善了，加快進(jìn)刀速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果改善了；其兩個(gè)試驗(yàn)存在什么共同點(diǎn)呢？共同點(diǎn)就在于，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)散熱都更好了。當(dāng)進(jìn)刀速度加快時(shí)，其熱量在孔內(nèi)積聚的時(shí)間短，其溫度明顯會(huì)降低，同樣分布鉆時(shí)由于鉆頭抬起會(huì)散熱，所以其熱量積聚也少，從而大大的減少了熱量對(duì)于孔壁小傷口的攻擊；熱量的減小使改善的效果變得更明顯。為了進(jìn)一步證明散熱的好壞對(duì)于玻纖發(fā)白的作用，后又使用了散熱蓋墊板（加有一種幫助散熱的涂層的蓋墊板）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果也證明其效果明顯。如圖5所示。

表2 鉆孔方式實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表3 鉆孔參數(shù)實(shí)驗(yàn)

圖5 使用散熱蓋墊板后結(jié)果示意圖（無(wú)玻纖布發(fā)白的跡象）

4.4 通道形成與去鉆污的關(guān)系

鉆孔過(guò)程中肯定會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生一定的傷害，然而傷害之后，去鉆污藥水對(duì)于傷口的攻擊往往會(huì)使傷口擴(kuò)大；所以去鉆污的次數(shù)需要嚴(yán)格控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示。

當(dāng)去鉆污次數(shù)達(dá)到三次時(shí)，其發(fā)白驗(yàn)證，已經(jīng)貫穿孔于隔離環(huán)，CAF通道已經(jīng)形成，所以嚴(yán)格控制去鉆污次數(shù)非常重要。

4.5 試驗(yàn)相關(guān)相關(guān)信息說(shuō)明及平磨切片觀(guān)察

表4

圖6 去三次鉆污后玻纖布分層出現(xiàn)

試驗(yàn)板件結(jié)構(gòu)如圖7所示，整個(gè)板件玻纖布發(fā)白狀況只出現(xiàn)在板件的6層～7層中間，同時(shí)問(wèn)題只出現(xiàn)在獨(dú)立孔位置，所有大銅皮面上孔沒(méi)有出現(xiàn)玻纖布發(fā)白的狀況。在此處列入此項(xiàng)的原因在于進(jìn)一步說(shuō)明，鉆孔時(shí)熱量的影響對(duì)于玻纖布發(fā)白影響的重要性，板件最難散熱的地方就是板件獨(dú)立孔的中間層次。而且通過(guò)幾百個(gè)平磨切面觀(guān)察，越到中間層次，獨(dú)立孔發(fā)白現(xiàn)象越嚴(yán)重。舉例說(shuō)明：4層～5層有發(fā)白現(xiàn)象，那么6層～7層一定有，6層～7層沒(méi)有，那么其他所有層次都不會(huì)有。所以結(jié)合本文開(kāi)始提出一種新的觀(guān)察方法，就是平磨法觀(guān)察板件獨(dú)立孔，只要獨(dú)立孔中間層沒(méi)有玻纖布發(fā)白，那么加工的板件就一定是安全的，當(dāng)然如果存在玻布發(fā)白，那么其一定是普遍存在的，適當(dāng)?shù)某闃訖z測(cè)就可以發(fā)現(xiàn)，也可以避免問(wèn)題板件流出到客戶(hù)端。

圖7 實(shí)驗(yàn)板層壓結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論與對(duì)策

5.1 結(jié)論

CAF通道的形成原理為：在機(jī)械加工的過(guò)程中，機(jī)械力對(duì)于孔壁有傷害，形成傷口，在熱量的作用下，傷口延孔壁最脆弱的玻纖布方向擴(kuò)散，散熱不及時(shí)，或者熱量足夠大，最終形成通道，平磨切片觀(guān)察時(shí)表現(xiàn)為玻布發(fā)白。

5.2 改善對(duì)稱(chēng)

知道了原理后改善可圍繞如何不產(chǎn)生通道和產(chǎn)生后如何愈合傷口這個(gè)兩個(gè)方面入手。

具體改善措施如下：

（1）使用浸膠更好的半固化片增加抗沖擊的能力，細(xì)玻布相對(duì)粗玻布浸膠更好，所以要求限制玻纖布的粗細(xì)為預(yù)防CAF通道產(chǎn)生的第一步。

（2）作為線(xiàn)路板加工制作過(guò)程，更多可以控制加工過(guò)程對(duì)于薄弱點(diǎn)的機(jī)械沖擊和熱沖擊，而最關(guān)鍵的因素在于熱沖擊的影響，所以選擇散熱最優(yōu)的鉆孔參數(shù)和鉆孔方式也是很關(guān)鍵的步驟。

（3）鉆孔產(chǎn)生通道后在去鉆污之前還可以增加傷口愈合處理，當(dāng)板件有傷口時(shí)，如果通過(guò)某種方式能夠使傷口愈合，則也可避免通道的產(chǎn)生。根據(jù)試驗(yàn)材料在Tg溫度時(shí)烘板，輕微拉傷可愈合，可改善發(fā)白和裂紋狀況；所以鉆孔后增加烘板流程，溫度在Tg溫度附近可有效改善。下圖為鉆孔后是否烘板的結(jié)果。

圖8 鉆孔后未烘板情況

圖9 鉆孔后烘板情況

對(duì)于已經(jīng)形成的傷口要減少?zèng)_擊防止擴(kuò)大，所以在去鉆污時(shí)，最好控制在一次，（在試驗(yàn)3去鉆污試驗(yàn)中已經(jīng)體現(xiàn)）。