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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2021-07-13 13:49
摘要 隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，電子設(shè)備更是朝著輕、薄、小的方向發(fā)展，使得印制電路板CAF問題成為影響產(chǎn)品可靠性的重要因素。通過介紹CAF失效原理，及CAF失效分析方法，為加工商提供CAF效應(yīng)分析和改善的依據(jù)。
1、 前言
在電子設(shè)備領(lǐng)域，以汽車電子或某些軍工裝備為例，其對(duì)耐高溫高濕環(huán)境的要求較高。隨著此類產(chǎn)品向著高密度化發(fā)展，孔間距越來越小，這使得印制板對(duì)孔的可靠性要求也相應(yīng)提高，所以印制電路板產(chǎn)生的導(dǎo)電陽極燈絲就成為影響產(chǎn)品可靠性的重要因素。
導(dǎo)電陽極絲（英文簡稱：CAF;全稱：ConductiveAnodic Filament）是指PCB內(nèi)部銅離子從陽極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過程中發(fā)生的銅與銅鹽的漏電行為。當(dāng)PCB/PCBA在高溫高濕的環(huán)境下帶電工作時(shí)，兩絕緣導(dǎo)體間可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沿著樹脂或玻纖界面生長的CAF，此現(xiàn)象將終導(dǎo)致絕緣不良，甚至短路失效。
CAF導(dǎo)致的短路如圖1所示。
2、 CAF失效機(jī)理
2.1 CAF失效機(jī)理
CAF的產(chǎn)生過程可以分兩步來研究，即離子遷移通道的形成和陽極絲的增長過程。
（1）化學(xué)鍵水解
在高溫高濕的條件下，樹脂和玻纖之間的附著力出現(xiàn)劣化，并促成玻纖表面的硅烷偶聯(lián)劑產(chǎn)生水解，從而導(dǎo)致了電化學(xué)遷移路徑（即銅離子遷移的通道）的產(chǎn)生。
（2）導(dǎo)電陽極絲增長
離子遷移通道產(chǎn)生后，如果此時(shí)在兩個(gè)絕緣孔之間存在電勢(shì)差，則在電勢(shì)較高的陽極上的銅會(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，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。在陽極、陰極的電化學(xué)反應(yīng)如圖2所示。
2.2 CAF形成的影響因素
對(duì)于成品PCB，CAF的形成主要影響因素有：
PCB設(shè)計(jì)，板材配本，PCB加工過程。以下就這些影響因素進(jìn)行分析。
2.2.1 PCB設(shè)計(jì)的影響
在PCB的結(jié)構(gòu)中孔的排列方式對(duì)CAF性能影響較大，孔的排列方式不同，其CAF效應(yīng)不同，一般存在三種排列方式（如圖3所示）。三種排列方式中耐CAF性能由強(qiáng)到弱的次序?yàn)椋哄e(cuò)位排列>緯向排列>經(jīng)向排列。原因如下：
?。?）CAF的發(fā)生主要是沿著玻璃紗束的方向進(jìn)行，錯(cuò)位排列可以對(duì)CAF的產(chǎn)生形成迂回作用，從而不容易發(fā)生CAF失效。
?。?）緯向玻璃紗相比經(jīng)向扁平疏松，樹脂的浸潤性更好，同時(shí)鉆孔的裂傷也會(huì)比經(jīng)向的輕微，所以其耐CAF性能也好一些。
2.2.2 板材配本的影響
眾所周知，覆銅板是由半固化片（Prepeg）和銅箔壓制而成，而不同的半固化片，其CAF性能存在很大的差異，這主要取決于其所用的玻纖布的編織結(jié)構(gòu)。
以下為三種普通玻纖布的物理編織結(jié)構(gòu)。這三種編織結(jié)構(gòu)的樹脂含量及浸潤性優(yōu)勢(shì)對(duì)比（圖4）：1080>2116>7628，即1080PP片不容易產(chǎn)生CAF失效。
2. 2.3 PCB加工過程的影響
PCB加工過程中在玻璃纖維與樹脂面之間產(chǎn)生的微小空隙對(duì)CAF性能有很大的影響，主要包括以下幾個(gè)方面：
?。?）壓板時(shí)壓力。升溫速率以及高溫段的固化溫度和時(shí)間都對(duì)CAF性能有影響，但影響的是高溫段的固化溫度和時(shí)間。
?。?）除膠參數(shù)：除膠參數(shù)的合適與否直接決定了孔壁的清潔度，這又反過來影響孔壁粗糙度。
?。?）孔壁粗糙度：除了上面講的除膠參數(shù)，孔粗還取決于鉆孔參數(shù)和鉆針的研磨次數(shù)，孔壁粗糙度越大，越容易發(fā)生CAF失效。
3、CAF失效的分析方法
3.1 CAF失效模式簡介
CAF現(xiàn)象一般發(fā)生在PTH孔與PTH孔、PTH孔與線、線與線、層與層之間。為準(zhǔn)確的分析失效原因，必須了解線路板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，再根據(jù)結(jié)構(gòu)制定合適的分析方法。常見的四種CAF失效模式如圖5所示。
3.2 查找失效點(diǎn)
由于CAF失效引起的短路通常很微小，所以要確認(rèn)失效點(diǎn)，以便提高CAF失效分析的成功率。通常使用半分法來鎖定失效區(qū)域，步驟如下：
（1）先把一個(gè)單元的分成兩個(gè)小單元；
（2）用高阻計(jì)分別對(duì)這兩個(gè)小單元進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試；
（3）對(duì)阻值偏小的單元再切割。
以此類推，直到找出失效點(diǎn)。使用半分法找到CAF失效短路區(qū)域?qū)嵗龍D如圖6所示。
3.3 切片檢查
找到失效位置后，需對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行剖切，以確認(rèn)CAF形成的真正原因。首先需對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行垂直研磨，以找出發(fā)生CAF的層數(shù)。
切片研磨到孔中心位置，可以觀察到兩孔中間玻璃紗束中有通路，存在銅遷移現(xiàn)象。實(shí)例圖如圖7所示。
其次對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行水平研磨，可以觀察到孔間的CAF情況，如圖8所示，可發(fā)現(xiàn)其中基板層存在孔間燒焦。
3.4 SEM&EDS（能散X線光譜儀）分析
SEM&EDS是用聚焦的很細(xì)的電子束照射被檢測(cè)的試樣表面，通過檢測(cè)二次電子或背散射電子信息進(jìn)行形貌觀察，同時(shí)測(cè)量電子與試樣相互作用所產(chǎn)生的特征X-射線的（頻率）波長與強(qiáng)度，從而對(duì)微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析。
基于以上原理，將上述剖切好的切片失效區(qū)域使用SEM觀察其外觀（如圖9所示），同時(shí)利用EDS對(duì)不良區(qū)域進(jìn)行元素分析。在正常區(qū)一般由碳、氧、鎳等元素組成，而有CAF通過的區(qū)域除有正常元素存在外，還有銅、溴、氯等元素（見表1）。
由圖9的SEM圖可以看出，玻纖周圍有銅絲和空隙存在。表1的數(shù)據(jù)顯示與以上所講理論相符。
4、防止CAF效應(yīng)對(duì)策
目前，越來越多的客戶對(duì)產(chǎn)品的CAF性能提出要求，作為PCB加工商，應(yīng)盡量選取一些能夠避免CAF失效的制作方法以滿足客戶需求。根據(jù)以上分析和實(shí)例剖析，提出以下幾種改善措施供參考：
（1）優(yōu)化密集孔設(shè)計(jì)，盡量采用錯(cuò)位排列的方式設(shè)計(jì)孔的分布；
?。?）優(yōu)先選用耐CAF的板材（選擇開纖布?jí)褐瞥傻陌宀模?/span>
?。?）盡量避免使用7628等粗纖維材料（尤其是間距≤0。7 mm的產(chǎn)品）；
?。?）對(duì)PCB鉆孔。除膠渣等對(duì)CAF影響較大的工序嚴(yán)格管控。
5、總結(jié)
本文通過分析CAF失效機(jī)理，詳解了CAF失效分析方法，提出相應(yīng)的改善對(duì)策，為CAF失效問題提出了預(yù)防思路。
5.1 CAF失效機(jī)理
?。?）CAF失效通過兩步進(jìn)行：
第一步：化學(xué)鍵水解；
第二步：導(dǎo)電陽極絲增長。
（2）CAF形成的影響因素主要包括PCB設(shè)計(jì)的影響，板材配本的影響，PCB加工過程的影響。
5.2 CAF失效的分析方法
?。?）通常使用半分法來鎖定失效區(qū)域；
（2）使用切片觀察，垂直研磨找出層數(shù)，水平研磨找CAF失效點(diǎn)；
?。?）SEM&EDS分析，使用SEM觀察外觀，EDS對(duì)不良區(qū)域進(jìn)行元素分析。
5.3 防止CAF效應(yīng)對(duì)策
應(yīng)從設(shè)計(jì)、制作、分析三方面進(jìn)行全方位入手，盡量避免使用可能增大CAF效應(yīng)的方法。
來源：Internet
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