何瑩 陳慶國(guó) 黃啟寶

（1.安徽國(guó)家銅鉛鋅及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心；安徽 銅陵 244000；2.國(guó)家印制電路板質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，安徽 銅陵 244000）

0 引言

隨著5G 通信產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要尋找更合適的高頻元器件，滿足因5G 技術(shù)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)要求，這對(duì)印制電路板（printed circuit board，PCB）是一個(gè)巨大的新挑戰(zhàn)。在此形勢(shì)下，各大元器件制造企業(yè)都在積極研發(fā)適合當(dāng)前使用環(huán)境的新產(chǎn)品。5G 對(duì)PCB 設(shè)計(jì)的要求主要表現(xiàn)為：板材的選型要符合高頻、高速的要求；阻抗匹配性、層疊的規(guī)劃、布線間距/孔等要滿足信號(hào)完整性要求；高層數(shù)和高密度要滿足可靠性的要求。其中，導(dǎo)電陽(yáng)極絲（conductive anodic filament，CAF）失效是PCB 關(guān)注的重點(diǎn)。本文通過實(shí)際案例，用高頻高速材料的CAF 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試版分析CAF 失效的現(xiàn)象，旨在幫助PCB 制造企業(yè)及其供應(yīng)商改善生產(chǎn)工藝。

1 CAF失效狀態(tài)

CAF 在高溫高濕的條件下，環(huán)氧樹脂與玻纖之間的附著力出現(xiàn)劣化，玻纖表面的硅烷偶聯(lián)劑水解，在玻纖中產(chǎn)生離子遷移通道。如果此時(shí)在兩個(gè)絕緣孔之間存在電勢(shì)差，則電勢(shì)較高的陽(yáng)極上的銅會(huì)被氧化為銅離子，銅離子在電場(chǎng)作用下向電勢(shì)較低的陰極遷移，在遷移過程中，與板材中的雜質(zhì)離子或OH-結(jié)合，生成不溶于水的導(dǎo)電鹽并沉積下來(lái)，使兩絕緣孔之間的電氣間距急劇下降，甚至直接導(dǎo)通形成短路，造成CAF 失效。失效一般發(fā)生在孔與孔之間、孔與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間及層與層之間。

2 CAF失效案例

2.1 案例介紹

以某批次的CAF 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板為例，介紹孔與線、孔與孔之間這兩種失效模式。共16 塊測(cè)試版，其中孔到線測(cè)試板、孔到孔測(cè)試板各為 8塊。測(cè)試圖形如圖1所示。

圖1 CAF測(cè)試板圖形

試驗(yàn)條件為：無(wú)鉛回流5 次后，在85 ℃和85% RH 的試驗(yàn)箱中靜置96 h，50 V 偏壓、100 V測(cè)試電壓，測(cè)試500 h，記錄初始絕緣電阻值、靜置96 h后絕緣電阻值和加電測(cè)試過程中的電阻值。CAF 測(cè)試結(jié)束后，對(duì)絕緣阻值小于108 Ω 的通道進(jìn)行CAF失效分析，找出失效原因。

2.2 定位失效區(qū)域

失效圖形的線路結(jié)構(gòu)中，正負(fù)極分別連接的孔或線路，采取逐步劃分法將圖形劃分為兩個(gè)獨(dú)立的正負(fù)極通道，用高精度數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量正負(fù)極之間的絕緣電阻值。阻值較小的回路為失效點(diǎn)所在的區(qū)域，在此區(qū)域上再進(jìn)行劃分，挑出阻值較小的一側(cè)。重復(fù)此操作，直至定位出失效的某個(gè)孔與電源層之間的失效區(qū)域，或兩個(gè)相鄰孔之間的失效區(qū)域，如圖2所示。

圖2 CAF失效區(qū)域定位

CAF 測(cè)試結(jié)束后，失效通道在室溫環(huán)境下恢復(fù)正常阻值（≥108Ω），此時(shí)很難進(jìn)行失效定位。因此，通常會(huì)將試樣在85 ℃和85 % RH 的高溫高濕環(huán)境下，加偏壓處理一段時(shí)間，定期監(jiān)測(cè)絕緣電阻值，并根據(jù)電阻值調(diào)整所加的偏壓大小，使CAF阻值降低，再進(jìn)行失效區(qū)域定位。

2.3 外觀檢查

找到失效區(qū)域后，對(duì)圖形表面進(jìn)行外觀檢查，如正負(fù)極之間是否有枝晶或遷移物產(chǎn)生，以及油墨有無(wú)破損等，并使用能譜（energy dispersive spectroscopy，EDS）對(duì)其遷移物成分進(jìn)行確認(rèn)。為對(duì)表層做進(jìn)一步觀察，可將表面油墨去除，檢查表層銅環(huán)之間是否發(fā)生遷移。如有遷移物，用掃描電子顯微鏡（scanning electronic microscopy，SEM）和EDS 對(duì)遷移物進(jìn)行觀察和定性。外觀檢查時(shí)，要注意是否有外在因素的影響，如板面不潔凈（助焊劑、油污、鹽等）、水漬和外來(lái)物質(zhì)導(dǎo)致的正負(fù)極橋接等。在進(jìn)行破壞性試驗(yàn)之前，需要注意前期的信息收集。

2.4 切片分析

在上述外觀檢查中，如未在表面發(fā)現(xiàn)遷移物和臟污，可基本判定失效發(fā)生在基材內(nèi)部。對(duì)失效區(qū)域做水平切片，逐層研磨，直至發(fā)現(xiàn)遷移物質(zhì)，如圖3 所示。在該案例中，遷移物的痕跡比較明顯，降低了研磨難度。一般在研磨過程中需要注意砂紙目數(shù)、轉(zhuǎn)盤速率、研磨的力度及觀察頻次等，并根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)調(diào)整。

圖3 CAF失效區(qū)域水平切片發(fā)現(xiàn)遷移物

發(fā)現(xiàn)遷移物后，在圖3 的虛線位置處垂直切片，發(fā)現(xiàn)孔與內(nèi)層銅、孔與孔之間的遷移物均發(fā)生在壓合界面，如圖4 所示。通過切片結(jié)果收集失效發(fā)生的具體層和位置（玻纖中、樹脂中或結(jié)合面），并由數(shù)據(jù)綜合分析其失效原因。在該案例中，遷移物均出現(xiàn)在壓合界面。

圖4 CAF失效區(qū)域垂直切片發(fā)現(xiàn)遷移物

2.5 SEM和EDS分析

發(fā)現(xiàn)遷移物后，對(duì)遷移物進(jìn)行SEM 和EDS 分析，確定遷移物的大致成分，并與正常區(qū)域做對(duì)照試驗(yàn)?？椎綄拥慕Y(jié)果如圖5 所示，孔到線的結(jié)果如圖6 所示。根據(jù)EDS 結(jié)果，發(fā)現(xiàn)壓合界面有大量銅元素。

圖5 SEM形貌及EDS成分分析結(jié)果（孔到層）

圖6 SEM形貌及EDS成分分析結(jié)果（孔到孔）

3 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)所用的是同一批次共16 塊CAF 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板。CAF 測(cè)試結(jié)束后，孔到孔失效圖形的絕緣阻值下降到≤105Ω，孔到孔失效圖形的絕緣阻值下降到≤106Ω；室溫恢復(fù)后，孔到線的阻值仍＜106Ω，可以直接進(jìn)行失效區(qū)域定位，而孔到線的阻值在室溫下已恢復(fù)至1 010 Ω。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)試樣進(jìn)行了高溫高濕加偏壓的處理，使絕緣電阻值降低至108Ω 以下，以方便后續(xù)定位失效區(qū)域。

對(duì)失效圖形進(jìn)行定位，在此區(qū)域上做金相切片，逐層水平研磨至發(fā)現(xiàn)遷移痕跡，觀察形貌，得到一些基本信息。判斷在哪個(gè)方向作垂直切片有利于分析失效原因，在此方向做垂直切片，垂直切片可具體確定失效發(fā)生在基材的哪個(gè)部分。在暴露出的遷移物處進(jìn)行SEM 和EDS 分析，確定遷移物的成分。

在此案例中，根據(jù)切片分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在壓合界面存在遷移物，并通過SEM 和EDS 成分分析，確定了遷移物為銅，使得絕緣的正負(fù)極之間的電氣間距下降，導(dǎo)致了CAF失效。

綜上所述，分析此次CAF失效的原因如下：

（1）生產(chǎn)工藝方面。在PCB 多層板的制作工藝中，內(nèi)層圖形需要通過曝光顯影蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，蝕刻不凈，會(huì)導(dǎo)致殘銅產(chǎn)生；殘銅在后續(xù)壓合時(shí)，存在于壓合界面，使絕緣的正負(fù)極之間的電氣間距下降，導(dǎo)致CAF失效。

（2）材料方面?；纳媳砻嬲辰Y(jié)有一個(gè)水分子氫鍵的單分子層，壓合界面在高溫高濕下吸濕了更多的水分形成了多分子層，銅離子在電場(chǎng)作用下向陰極遷移。在遷移的過程中，與板材中的雜質(zhì)離子或OH-結(jié)合，生成不溶于水的導(dǎo)電鹽，并沉積下來(lái)，使兩絕緣孔之間的電氣間距急劇下降，導(dǎo)致CAF失效。