印制電路板的導(dǎo)電陽極絲檢測(cè)與預(yù)防

鐘文清 黃賢權(quán) 常會(huì)勇 王 俊

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518102）

0 前言

印制電路板（PCB）作為電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)器件，制作要求不斷精細(xì)化，特別是對(duì)于需求日益增長(zhǎng)的高頻板、汽車板、航空板等高可靠性要求的印制板，質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響整機(jī)性能。導(dǎo)電陽極絲（CAF，Conductive Anodic Filament）引起的離子遷移這種潛伏周期長(zhǎng)，跟環(huán)境變化有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)的缺陷，如果不提前控制與預(yù)防必將存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，勢(shì)必造成不可挽回的損失。

1 CAF現(xiàn)象

CAF是指在PCB中，兩個(gè)導(dǎo)體在高溫高濕和一定電勢(shì)差條件下，銅離子或者銅鹽順著纖維布與樹脂之間的縫隙發(fā)生緩慢遷移的過程，導(dǎo)致形成微小的漏電流，使本該絕緣的兩端發(fā)生了通路或者絕緣阻值急劇減小，最終影響線路板電氣性能的現(xiàn)象（如圖1）。

圖1 典型的導(dǎo)電陽極絲

對(duì)于發(fā)生CAF現(xiàn)象的兩個(gè)導(dǎo)體之間，一般把他總結(jié)為三個(gè)方面：孔與孔之間、孔與線之間、線與線之間（如圖2）。

圖2 導(dǎo)體之間CAF現(xiàn)象

2 CAF產(chǎn)生的原因

CAF的產(chǎn)生是一個(gè)持續(xù)過程，特別是在高溫高濕的環(huán)境下會(huì)加速進(jìn)行，究其根本主要有以下兩個(gè)原因。

2.1 CAF的形成

在PCB或電子產(chǎn)品中，由于化學(xué)品殘留物、灰塵、金屬離子或?qū)щ姷年栯x子和濕氣等在電場(chǎng)作用下，通過絕緣層的表面、縫隙、微孔、界面等發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生一系列的可以導(dǎo)電的銅鹽，最后促成了導(dǎo)電陽極絲（CAF）的產(chǎn)生。

2.2 傳輸導(dǎo)電陽極絲（CAF）通道的產(chǎn)生

傳輸通道產(chǎn)生原因比較多，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

（1）PCB的大部分基材是由樹脂浸潤(rùn)玻璃纖維布而成，那么起浸潤(rùn)作用的偶聯(lián)劑在長(zhǎng)時(shí)間的高溫高濕條件下會(huì)發(fā)生一定的水解，從而降低了玻璃纖維布與樹脂的附著性，最后導(dǎo)致兩者之間形成了微小的縫隙。

（2）鉆孔時(shí)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鉆頭會(huì)使玻璃纖維束承受比較大的應(yīng)力，導(dǎo)致其被拉扯分離，最終也會(huì)在玻璃纖維和樹脂之間產(chǎn)生一定的縫隙，從而為傳輸通道的產(chǎn)生提供了條件。

（3）除膠渣藥水的用量、濃度、時(shí)間等參數(shù)的調(diào)整不匹配也會(huì)使玻璃纖維束被過度咬蝕，從而在玻纖和樹脂之間產(chǎn)生一定的縫隙形成傳輸通道，這也就是燈芯效應(yīng)的概念。

（4）在多層板層壓工藝中若層壓不良，也會(huì)使存在于玻纖和樹脂之間的氣泡難以趕盡，因此也產(chǎn)生了CAF傳輸通道。

3 CAF模擬測(cè)試方法

CAF測(cè)試是一個(gè)模擬實(shí)際使用環(huán)境的過程，即為測(cè)試樣品提供長(zhǎng)時(shí)間的固定電壓和高溫高濕條件，在這種條件下在線測(cè)量樣品的絕緣阻值，用絕緣阻值的變化來反映測(cè)試區(qū)域絕緣性能的變化，以了解板內(nèi)CAF的生長(zhǎng)情況，并評(píng)估樣品實(shí)際使用條件和耐CAF性能。在CAF測(cè)試中，行業(yè)內(nèi)常規(guī)使用或者參考的CAF測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)是IPC-TM650 2.6.25節(jié)，其中對(duì)CAF測(cè)試方法做了非常嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)定。為了更好的了解CAF測(cè)試分析的方法和步驟，結(jié)合本公司的測(cè)試設(shè)備使用及CAF測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，以下是對(duì)其測(cè)試前預(yù)處理和測(cè)試步驟的解析。

3.1 測(cè)試儀器的要求

3.1.1 溫濕度環(huán)境試驗(yàn)箱

可以長(zhǎng)時(shí)間維持并記錄溫度為（65±2）℃或（85±2）℃，相對(duì)濕度為并帶有可插入測(cè)試線的孔口標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)箱。

3.1.2 絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)

（1）可以提供（10-1000）±2VDC的恒定電壓源，電流供應(yīng)能力至少1 A。

（2）絕緣電阻測(cè)量量程可達(dá)1.0×1012Ω，精度為±5%，在電壓（100±2）VDC時(shí)，電阻可以測(cè)量到1010Ω精度為±5%或者電流可以測(cè)量到10-10A精度為±5%的類似高阻計(jì)。

（3）應(yīng)在每個(gè)電流通道上串聯(lián)一個(gè)106Ω的電阻以達(dá)到嚴(yán)格控制限流電阻的作用，測(cè)量設(shè)備和電線的所有串聯(lián)電阻不應(yīng)超過200Ω，否則對(duì)測(cè)試會(huì)有一定的影響（如圖3）。

圖3 環(huán)境試驗(yàn)箱和絕緣電阻測(cè)試系統(tǒng)

3.2 測(cè)試步驟

（1）在（105±2）℃的干凈烤箱中放置30 min，以去除水分。

（2）樣品是無鉛的，那么參考標(biāo)準(zhǔn)IPCTM650 2.6.27過6次無鉛回流焊，有鉛板材，則過6次有鉛回流焊。

（3）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(duì)樣品進(jìn)行清潔至離子污染水平低于1.0 μg/cm2氯化鈉當(dāng)量，最長(zhǎng)的浸泡時(shí)間是20 min，20 min內(nèi)不能達(dá)到此清潔水平的樣品應(yīng)當(dāng)去除。

（4）焊接樣品的測(cè)試位置，接線時(shí)應(yīng)用無污染的薄膜覆蓋測(cè)試區(qū)域，以防止接線過程中助焊劑濺入，接線完成后用75%異丙醇加25%蒸餾水的混合溶液對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行清潔處理。

（5）將焊接好的樣品放置在溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度（50±5）%RH，無偏壓的條件下放置30 min以上。

（6）將樣品放置在溫度為（65±2）℃或（85±2）℃，相對(duì)濕度為的溫濕度試驗(yàn)箱中96 h。（注意：每個(gè)測(cè)試板間的間隔至少為2.5 cm，在剛開始放置箱子中時(shí)，可以先運(yùn)行升溫度程序，升到目標(biāo)溫度后穩(wěn)定一段時(shí)間再運(yùn)行升濕度程序，此操作可以避免剛開始同時(shí)溫濕度上升產(chǎn)生冷凝，水分有可能滴落在測(cè)試區(qū)域表面，以防對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響）。

（7）加預(yù)設(shè)的恒定偏置電壓500 h，然后加測(cè)試電壓進(jìn)行第一次的電阻測(cè)量，對(duì)于電阻值小于107Ω的測(cè)試板應(yīng)該去除，不應(yīng)出現(xiàn)在測(cè)試報(bào)告中，因?yàn)檫@是差的鍍通孔質(zhì)量或?qū)訅盒阅芤鸬摹?/p>

（8）在恒定電壓施加500 h的過程中，每24～100 h施加測(cè)試電壓進(jìn)行電阻監(jiān)控。

（9）測(cè)試結(jié)束后應(yīng)將樣品從環(huán)境試驗(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，由于這些原因造成失效的值應(yīng)該去除。

3.3 CAF測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

CAF模塊設(shè)計(jì)主要以孔到孔，線到線較多，以下為比較典型的四種測(cè)試模塊（如圖4）。

圖4 CAF測(cè)試模塊圖形

3.4 測(cè)試失效時(shí)絕緣阻值的判定

對(duì)于絕緣阻值的判定，標(biāo)準(zhǔn)中有明確定義，但根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及產(chǎn)品運(yùn)用領(lǐng)域不同，客戶自定義標(biāo)準(zhǔn)的判定略有差異，可分為如下幾種：

（1） IPC標(biāo)準(zhǔn)失效判定是測(cè)試過程中在阻值大于107Ω的基礎(chǔ)上，降低1個(gè)數(shù)量級(jí)為失效，這是一個(gè)比較嚴(yán)格的規(guī)定；

（2） 測(cè)試結(jié)束后絕緣電阻值不能＜108Ω，否則視為失效；

（3） 整個(gè)測(cè)試過程中電阻值不能＜108Ω，但允許有3次及以下的阻值＜108Ω的記錄，否則判定為失效（如圖5）。

圖5 典型的CAF測(cè)試失效曲線（測(cè)試時(shí)間為500 h）

4 CAF的預(yù)防措施

離子遷移的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致絕緣層性能下降或電氣短路故障，對(duì)于長(zhǎng)年運(yùn)行的汽車、火車、高鐵、飛機(jī)等，其內(nèi)部的電子元器件如果發(fā)生微短路系統(tǒng)突然失控；輕則動(dòng)力系統(tǒng)停止運(yùn)行，影響正常交通出行，重則動(dòng)力系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生燒毀、爆炸、墜落等致命的嚴(yán)重事故，影響人們的生命安全。如何預(yù)防CAF現(xiàn)象的發(fā)生，想必是每個(gè)PCB制造商考慮的問題，這里有幾個(gè)建議供參考：

（1）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(dòng)或半固化片的半固化程度不完全時(shí)影響較大。

（2）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)。

（3）PCB中孔的排列方式分經(jīng)向、緯向、錯(cuò)位排列，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?jī)?yōu)化孔的排列設(shè)計(jì)，使其錯(cuò)位排列。

（4）內(nèi)外層線路制作、防焊前處理表面清潔度與油墨固化程度控制勢(shì)必造成離子殘留導(dǎo)致CAF產(chǎn)生。

5 總結(jié)

隨電子產(chǎn)品高度集成化，對(duì)PCB要求越來越嚴(yán)，目前部分汽車板客戶把CAF測(cè)試電壓從100 V提到500 V，更有甚者要求1000 V；CAF就像是病毒一樣潛伏于PCB中，隨時(shí)可能使整塊PCB出現(xiàn)問題。為了防止CAF現(xiàn)象發(fā)生，作為PCB制造商需要從材料選擇、工藝優(yōu)化以及測(cè)試分析等多個(gè)環(huán)節(jié)加以控制，確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性，提升電子產(chǎn)品整機(jī)安全性能。