印制電路板耐CAF測試研究

陳慶國 晉曉峰

（安徽國家銅鉛鋅及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 國家印制電路板質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 銅陵 24400）

陳苑明 何 為

（電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引言

1976年，貝爾（Bell）實(shí)驗(yàn)室和雷神（Raytheon）公司的研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電陽極絲（CAF）的形成。貝爾實(shí)驗(yàn)室測試撓性環(huán)氧樹脂基板的研究人員表示，在溫度、高濕度和電壓適合的條件下，由于“貫穿基板短路”和表面到表面的短路會發(fā)生災(zāi)難性的失效[1]。雷神公司的Der Marderosian僅檢查出了“貫穿基板的短路”并將這一失效模式稱為“擊穿現(xiàn)象”。直到1979年，這一失效模式才被命名為導(dǎo)電陽極絲的生長。

隨著板設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，板的尺寸不斷減小和/或電壓不斷升高，行業(yè)內(nèi)對CAF可靠性的關(guān)注越來越多[2]。CAF形成的機(jī)理是在濕氣和偏壓存在的條件下，受濃度差和pH值差的影響，銅離子發(fā)生遷移和銅鹽沉積。CAF的導(dǎo)電通道是一種鹽從陽極開始的生長，與此相比，印制板表面上枝晶狀生成物是金屬離子沉積在陰極上。CAF主要與機(jī)械鉆孔相關(guān)，機(jī)械鉆孔會切斷玻璃纖維，使纖維和環(huán)氧樹脂之間的縫隙會吸收后續(xù)制程的化學(xué)物質(zhì)。

1 CAF的失效機(jī)理

CAF是PCB/PCBA內(nèi)部發(fā)生的一種離子遷移現(xiàn)象，當(dāng)PCB/PCBA長久處于高溫高濕的惡劣環(huán)境中，且內(nèi)部相鄰的兩個(gè)孔/線路間出現(xiàn)偏壓時(shí)，相鄰導(dǎo)線或者孔壁會在陽極（高電勢）首先發(fā)生銅的氧化，產(chǎn)生Cu2+，由于PCB/PCBA內(nèi)部空間限制，銅離子不能快速遷移到陰極進(jìn)行沉積，只能和附近的OH-或Cl-結(jié)合生產(chǎn)銅鹽進(jìn)行沉積，在電場作用下，銅鹽再次電離成銅離子，銅離子從陽極向陰極方向遷移，沿著玻纖紗遷移和沉積[3]。

CAF形成的化學(xué)過程如下：

（1）銅氧化與水解。

Cu→Cu2++2e-（銅在陽極發(fā)生溶解）

H2O→H++OH-（水電離）

2H++2e-→H2（氫還原成氫氣并析出）

（2）銅離子在電場作用下從陽極向陰極方向發(fā)生遷移，過程中產(chǎn)生銅鹽。

Cu2++2OH-→Cu(OH)2（銅離子遷移生成銅鹽并沉積）

Cu(OH)2→CuO+H2O（部分銅鹽分解）

（3）銅鹽電離，沿著玻纖紗，從陽極向陰極遷移并沉積。

CuO+H2O→Cu(OH)2+Cu2++OH-（銅鹽電離，銅離子遷移）

Cu2++2e-→Cu（銅離子得到電子還原成銅并在通道內(nèi)沉積）

2 CAF的影響因素和發(fā)生條件及失效模式

PCB從設(shè)計(jì)到加工、應(yīng)用，多個(gè)環(huán)節(jié)涉及電化學(xué)遷移，設(shè)計(jì)和加工環(huán)節(jié)主要包括介質(zhì)層厚度、鉆孔工藝、阻焊、表面處理、孔密集程度、線寬線距和銅箔粗糙度等，板材主要包括樹脂、玻纖布、材料的完整性和匹配性等，儲存環(huán)境主要包括高溫高濕和鹽霧等，列出了整個(gè)電子制造加工環(huán)節(jié)中對電化學(xué)遷移有影響的因素[4]。

從CAF生長的機(jī)理來看，CAF的產(chǎn)生需要具備很多條件，其充分必要條件滿足以下四方面：

（1）有可導(dǎo)通和移動的銅。

（2）有潮濕環(huán)境，為電解質(zhì)溶解提供水或水汽。

（3）有通道，陽極與陰極之間的縫隙、分層、微裂紋、剝離等缺陷，均有可能成為通道，為銅離子遷移提供通道。

（4）有電勢差，在電勢差的作用下，離子才有可能進(jìn)行定向遷移，從而造成導(dǎo)體間絕緣層性能下降，發(fā)生“漏電”或短路。

以上四個(gè)條件缺一不可，在這幾個(gè)條件中，（1）（4）無法避免，但是（2）（3）可以通過設(shè)計(jì)、加工、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，這也是CAF防護(hù)的重點(diǎn)方向。

CAF雖然是發(fā)生在PCB/PCBA的內(nèi)部，但是孔-孔、孔-線、線-線、層-層之間都有可能發(fā)生，常見的CAF失效模式有四種（如圖1）。

這四種失效模式中，常見的是孔-孔、孔-線，材料因素和加工因素均有可能引起這類失效模式，在試驗(yàn)中也比較容易復(fù)現(xiàn)。線-線、層-層出現(xiàn)的概率較低，一般和材料缺陷相關(guān)，試驗(yàn)較難復(fù)現(xiàn)。

3 耐CAF的影響因素

除了印制電路板的厚度和層迭中所使用的層數(shù)影響耐CAF性能外，其它因素也會影響CAF測試結(jié)果。

3.1 孔到孔間距對耐CAF的影響

隨著孔間距的增加，耐CAF性能呈現(xiàn)了的非線性增加。這是由于鉆通孔附近機(jī)械破裂的范圍，導(dǎo)致距離導(dǎo)電區(qū)域更近，而較大的孔到孔間距更能耐CAF生長。

圖1 CAF的四種失效模式

3.2 方向?qū)δ虲AF的影響

PCB中孔的排列方式分經(jīng)向、緯向、錯(cuò) 位排列，交錯(cuò)排列的導(dǎo)通孔（交錯(cuò)孔）比串聯(lián)排列的導(dǎo)通孔（串聯(lián)孔）更耐CAF生長，水平排布的梳形電路比垂直排布的梳形電路更耐CAF生長，實(shí)踐證明錯(cuò)位排列的孔之間耐CAF能力是最好的，所以應(yīng)盡量優(yōu)化孔的排列設(shè)計(jì)，使其錯(cuò)位排列。對于交錯(cuò)排列的梳形電路，兩個(gè)導(dǎo)通孔孔壁之間無直接接觸的玻璃纖維，可改善耐CAF性，而且說明經(jīng)紗和緯紗的屬性是不同的。經(jīng)紗方向是浸漬環(huán)氧樹脂時(shí)玻璃纖維布穿過的方向，所以通常具有較大的殘余機(jī)械應(yīng)力。

3.3 PCB表面涂層對耐CAF的影響

在印制板生產(chǎn)中，應(yīng)用表面涂層化學(xué)劑時(shí)，可能會采用大量的化學(xué)制程。由于CAF機(jī)理涉及離子遷移和銅鹽的形成，任何的殘留物都可能會影響CAF的形成。嚴(yán)格控制PCB制造過程中各工序的相關(guān)參數(shù)，如：鉆孔旋轉(zhuǎn)速度、進(jìn)出刀速度等，降低孔壁粗糙度；除膠渣工序中膨脹劑、強(qiáng)氧化劑如高錳酸鉀的操作溫度、處理時(shí)間、濃度比例等相關(guān)參數(shù)[5]。

3.4 再流焊條件對耐CAF的影響

Bent和Turbini的研究表明較高的再流焊峰值溫度會降低耐CAF性[6]。NPL-UK機(jī)構(gòu)的研究提議，損傷機(jī)理不僅基于復(fù)合FR-4中材料之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，而且還基于在一定溫度下的化學(xué)或物理損壞。

3.5 介質(zhì)層材料Tg對耐CAF的影響

通常可獲得標(biāo)準(zhǔn)Tg或高Tg的FR4環(huán)氧樹脂配方。高Tg材料常用于高溫應(yīng)用，盡管它的耐熱分解性能可能沒有標(biāo)準(zhǔn)Tg層壓板好。選擇細(xì)紗扁平玻纖布，高Tg板材作為PCB 的基材，研究發(fā)現(xiàn)它們耐CAF性能較好，同時(shí)層壓參數(shù)波動或半固化片的半固化程度不完全時(shí)影響較大。

3.6 玻璃增強(qiáng)材料對耐CAF的影響

更厚的玻璃布耐CAF能力更差，7628的半固化片的耐CAF能力明顯弱于2116，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免選用較厚的玻璃布推薦更薄的玻璃布，在一些厚銅板、大電流設(shè)計(jì)的區(qū)域，不建議使用7628這類的厚布。同時(shí)，樹脂類型會明顯影響CAF的防護(hù)能力，低損耗樹脂一般具有更低的極性、更小的吸潮率，可明顯改善耐CAF能力。

4 CAF測試樣品制備及測試

建議首先對導(dǎo)電陽極絲測試附連板進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理能夠代表最差條件下的實(shí)際組裝制程和返修熱循環(huán)。然后，采取以下步驟依次進(jìn)行：

（1）為了比較各種層壓板材料的耐CAF性，建議采用高溫去離子水漂洗（80 ℃～85 ℃，1 h），以去清除表面污染物。對于有更高清潔度要求的試樣，還需要采用溫度為（40±1）℃用75%異丙醇加25%蒸餾水的混合溶液對試樣表面進(jìn)行淋洗，使離子污染濃度達(dá)到NaCl ＜1.0 μg/cm2。

（2）樣品是無鉛的，參考標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650 2.6.27過5次無鉛回流焊，有鉛板材，則過3 次有鉛回流焊。

（3）在樣品焊接過程中，應(yīng)該用無污染的膜覆蓋測試板未焊接區(qū)域，以防止在每個(gè)測試板上焊接導(dǎo)線時(shí)助焊劑飛濺。推薦使用B型水白松香助焊劑（J-STD-004）、良好的焊接技術(shù)（J-STD-001 1級或2級）和焊料（J-STD-006中的SN63型）。應(yīng)該只針對板上受影響的小區(qū)域進(jìn)行后續(xù)的局部漂洗和干燥。參照標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM650 2.3.25的操作，用75%異丙醇加25%蒸餾水的混合溶液對樣品進(jìn)行清潔。

（4）在105 ℃±2 ℃的潔凈烘箱內(nèi)，烘烤樣品6 h后，在23 °C、50%濕度條件下進(jìn)行24 h預(yù)處理（不對任何測試圖形施加偏壓），然后測量絕緣電阻。

（5）將樣品放置在溫度為（65±2）℃或 （85±2）℃，相對濕度為（86±2）%RH的溫濕度試驗(yàn)箱中靜置96 h，然后，采用100 VDC電壓加載1 min測試并記錄絕緣電阻值。

（6）再將其置于溫度為85 ℃、濕度為85%RH的濕熱試驗(yàn)箱中，對測試圖形施加限制額定電壓值的偏壓，并將其持續(xù)保持預(yù)定要求時(shí)間，期間每隔一定的時(shí)間采用限制額定電壓加載一定的時(shí)間并與偏壓極性相同的測試條件定期監(jiān)測其絕緣電阻值。

（7）測試結(jié)束后應(yīng)將樣品從濕熱試驗(yàn)箱中取出，然后用10X放大鏡檢查表面是否有缺陷，如污 染物、劃痕、裂痕等，并對失效區(qū)域進(jìn)行失效性分析。

5 結(jié)論

綜上所述，本文是通過分析CAF失效機(jī)理和模式等，重點(diǎn)提出了耐CAF影響因素以及具體的耐CAF測試方法，為學(xué)習(xí)和研究耐CAF測試，以及設(shè)計(jì)和生產(chǎn)耐CAF印制電路板提供了理論依據(jù)。