陳慶國 晉曉峰

（安徽國家銅鉛鋅及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 國家印制電路板質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，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）實驗室和雷神（Raytheon）公司的研究人員同時發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電陽極絲（CAF）的形成。貝爾實驗室測試撓性環(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主要與機械鉆孔相關(guān)，機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的失效機理

CAF是PCB/PCBA內(nèi)部發(fā)生的一種離子遷移現(xiàn)象，當PCB/PCBA長久處于高溫高濕的惡劣環(huán)境中，且內(nèi)部相鄰的兩個孔/線路間出現(xiàn)偏壓時，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行沉積，只能和附近的OH-或Cl-結(jié)合生產(chǎn)銅鹽進行沉積，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)計到加工、應(yīng)用，多個環(huán)節(jié)涉及電化學(xué)遷移，設(shè)計和加工環(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。

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

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 位排列，交錯排列的導(dǎo)通孔（交錯孔）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，實踐證明錯位排列的孔之間耐CAF能力是最好的，所以應(yīng)盡量優(yōu)化孔的排列設(shè)計，使其錯位排列。對于交錯排列的梳形電路，兩個導(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)氧樹脂時玻璃纖維布穿過的方向，所以通常具有較大的殘余機械應(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，可能會采用大量的化學(xué)制程。由于CAF機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、進出刀速度等，降低孔壁粗糙度；除膠渣工序中膨脹劑、強氧化劑如高錳酸鉀的操作溫度、處理時間、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機構(gòu)的研究提議，損傷機理不僅基于復(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

通常可獲得標準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準Tg層壓板好。選擇細紗扁平玻纖布，高Tg板材作為PCB 的基材，研究發(fā)現(xiàn)它們耐CAF性能較好，同時層壓參數(shù)波動或半固化片的半固化程度不完全時影響較大。

3.6 玻璃增強材料對耐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)計時應(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)計的區(qū)域，不建議使用7628這類的厚布。同時，樹脂類型會明顯影響CAF的防護能力，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行預(yù)處理，預(yù)處理能夠代表最差條件下的實際組裝制程和返修熱循環(huán)。然后，采取以下步驟依次進行：

（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行淋洗，使離子污染濃度達到NaCl ＜1.0 μg/cm2。

（2）樣品是無鉛的，參考標準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，以防止在每個測試板上焊接導(dǎo)線時助焊劑飛濺。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)域進行后續(xù)的局部漂洗和干燥。參照標準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)定要求時間，期間每隔一定的時間采用限制額定電壓加載一定的時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失效機理和模式等，重點提出了耐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)計和生產(chǎn)耐CAF印制電路板提供了理論依據(jù)。