印製線路板的CAF失效研究

摘  要：陽極導電絲（CAF）是PCB業內近十年來較為熱門的可靠性問題之一，當PCBA工作在高溫高溼的環境下時，有可能產生沿玻璃纖維生長的陽極導電絲CAF。本文主要以某種典型板材為例，從某板材在不同孔壁間距、不同外加偏壓下的CAF性能考察入手，研究CAF產生的機理，並通過模型推算板材在不同外加偏壓下的平均失效壽命（MTF），為後續其他板材耐CAF性能的考察提供了理論依據和試驗基礎。

關鍵詞：陽極導電絲CAF；電化學遷移；水解；平均失效時間；Bell Labs模型；可靠性；

1 前言

隨著集成電路和微電子技術的飛速發展，電子產品的體積越來越小，PCB也向更輕、薄、短、小發展。層間介質層厚度更薄，布線更密，孔壁間距更小，並且在進一步微細化中。在這樣的層間、布線、孔密度下，PCB的絕緣性能受到越來越多的關注。如何在這樣微細的產品上，保持其在整個壽命周期內的絕緣性能，是業內所有PCB製造商所面臨的問題之一。

陽極導電絲（CAF）是近十年來十分熱門的絕緣劣化失效，當PCBA在高溫高溼的環境下帶電工作時，在兩絕緣導體間有可能會產生沿著樹脂和玻纖的界面生長的CAF，最終導致絕緣不良，甚至短路失效。常見的CAF失效有三種，即分別發生在孔到孔、孔到線、線到線之間的失效情況，如圖1所示：

圖1  常見的CAF失效模式

其中孔到孔是最容易發生的失效，理所當然得到了更多的關注。那麼在客戶的耐CAF要求下，所使用的材料、製程，其耐CAF性能能否達到客戶的要求，成為需要進行評估的重點內容。

2 CAF的產生機理

在高溫高溼的條件下，PCB內部的樹脂和玻纖會分離並形成可供銅離子遷移的通道，此時若在兩個絕緣孔之間存在電勢差，那麼在電勢較高的陽極上的銅會被氧化成為銅離子，銅離子在電場的作用下向電勢較低的陰極遷移，在遷移的過程中，與板材中的雜質離子或OH－結合，生成了不溶於水的導電鹽，並沉積下來，使兩絕緣孔之間的電氣間距急劇下降，甚至直接導通形成短路。在陽極、陰極的電化學反應如圖2所示：

圖2  CAF產生時的電化學反應

從產生機理上來看，可以將CAF產生的過程分為兩個過程進行研究分析，即樹脂與玻纖分離的過程和電化學遷移的過程。一切CAF產生的前提，必須要使陽極產生的銅離子獲得向陰極移動的路徑，即樹脂與玻纖產生分離。在高溫高溼的影響下，樹脂和玻纖之間的附著力出現劣化，並促成玻纖表面的矽烷偶聯劑產生水解，從而導致了電化學遷移路徑的產生。筆者針對CAF產生的兩個過程：水解和電化學遷移，做了一系列試驗進行驗證。

3 試驗設計

4 CAF失效數據

4．1 試驗板孔粗＋燈芯的測量

對試驗板取切片測得所有模塊的孔粗＋燈芯在30μm左右，那麼CAF產生所需克服的電氣間距應為設計孔壁間距減去0．06mm。

4．2 CAF失效觀察

圖4為產生CAF失效的孔壁間距為0．2mm的模塊的切片截面圖，可以看到，在兩個絕緣孔之間產生了明顯的CAF現象：

圖4  產生CAF失效的切片截面圖（與玻纖平行）

4．3 不同外加偏壓下的平均失效時間數據

對設計孔壁間距為0．2－0．35mm之間的材料A製作的試驗板分別在500V、300V、100V、10V、3．3V下測得其平均失效時間，如圖5所示：

圖5  不同外加偏壓下的平均CAF失效時間

5 CAF的產生過程及平均失效時間的分析

如圖5所示，有以下趨勢：

1）當外加偏壓一定時，隨著孔壁間距的上升，其平均CAF失效時間也大幅提高；

2）當孔壁間距一定，外加偏壓較大（100V以上）時，所有孔壁間距在500V、300V、100V三種外加偏壓下的平均CAF失效時間差異較小，基本保持同一水平；當外加偏壓較小（10V以下）時，所有孔壁間距在10V、3．3V兩種外加偏壓下的平均CAF失效時間差異較大。

產生2）中的趨勢可能為以下原因：CAF的產生過程由水解和電化學遷移組成，我們假設在分析平均CAF失效時間時，可以將其拆分為水解時間和電化學遷移時間分別進行分析和試驗驗證。由於水解和電化學遷移速度受外加偏壓的影響程度不同，那麼在不同的外加偏壓下，如果水解時間和電化學遷移時間在平均CAF失效時間中的比重發生了偏移，就有可能產生兩段不同的趨勢。這樣的假設是否成立，必須要考察的是水解時間和電化學遷移時間的獨立性，水解時間和電化學遷移時間是否互相沒有影響。

5．1 水解和電化學遷移的獨立性研究

（1）無外加偏壓下的水解情況

圖6為材料A製作的試驗板中孔壁間距為0．2mm的模塊在雙85條件（溫度85℃、溼度85％RH）無外加偏壓下放置96h後的孔壁情況切片圖：

圖6  未加電樣品的切片截面圖

如圖6所示，在無外加偏壓的情況下，在兩孔間也產生了明顯的樹脂與玻纖分離的現象，證明了水解這一過程在無外加偏壓的情況下也會產生。

（2）外加偏壓對水解的影響

外加偏壓雖然不是水解過程的必要條件，但要確定是否在一定程度上加快或延緩了水解速度，使得水解時間發生變化。因此設計以下試驗驗證：將材料A製作的試驗板，在雙85條件下靜置0小時、2小時、4小時、8小時後，分別施加500V外加偏壓，得到設計孔壁間距0．2、0．25、0．3mm下的失效時間，如表1：

表1  外加偏壓對水解的影響

如果外加偏壓對水解速度有明顯的加快或延緩，由於各個條件下的靜置時間和加電時間是各不相同的，那麼4種情況（分別靜置0、2、4、8小時再加外加偏壓）下的總失效時間應有較大偏差。但從實際數據來看，所有孔壁間距下的4種情況的總失效時間並沒有太大波動。因此，可以推斷外加偏壓對水解時間的影響可以忽略不計，外加偏壓對於水解速度沒有明顯的加快或延緩。

（3）水解時間的確定

1） 外加偏壓500V時的電化學遷移時間

在①中，已經證明了水解這一過程在無外加偏壓的情況下也會發生。假設在雙85條件（溫度85℃、溼度85％RH）無外加偏壓下放置96h後，孔壁間距0．2mm－0．35mm的模塊均已完成了水解過程，形成了銅離子遷移的通道。再對所有模塊施加500V的外加偏壓，即得到500V下的電化學遷移時間。試驗得出，設計孔壁間距0．2mm－0．35mm的模塊在外加偏壓500V時的電化學遷移時間均在0．5小時以內，相對於總失效時間可以忽略不計。

2）水解時間的確定

對選用材料A製作的試驗板進行CAF試驗（雙85條件，外加偏壓500VDC），即可近似得到設計孔壁間距0．2mm－0．35mm下的水解時間，如圖7：

圖7  材料A在不同孔壁間距下的水解時間

從圖7可以看到，隨著孔壁間距的增加，其水解時間也在上升，近似成正比關係。