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在現(xiàn)代電子設(shè)備日益小型化、高集成化的趨勢下，多層印制線路板作為電子產(chǎn)品的“骨架”，其可靠性顯得尤為重要。然而，隨著布線密度的不斷提升，一種“隱形殺手”——導電陽極絲（CAF, Conductive Anodic Filament）——正日益威脅著多層印制線路板的長期穩(wěn)定運行。CAF導致的絕緣退化，可能引發(fā)短路，嚴重影響電子產(chǎn)品的性能和壽命。

本文將基于ESPEC公司的一項前沿研究，深入探討多層印制線路板的CAF抗性評估，揭示CAF的形成機制及其對絕緣性能的影響。 

什么是CAF？為何它如此重要？

離子遷移是導致絕緣退化的主要現(xiàn)象之一，它指的是金屬離子在絕緣材料表面或內(nèi)部遷移，最終導致短路。CAF正是離子遷移的一種特殊形式，它在高濕度和高電壓梯度的嚴苛條件下形成，由銅鹽組成的絲狀物沿著環(huán)氧樹脂/玻璃纖維界面，從陽極向陰極生長。由于CAF通常在多層印制線路板內(nèi)部形成，其發(fā)生和生長的具體機理一直難以完全闡明，這也使得對其抗性的評估和預(yù)防成為行業(yè)內(nèi)的重要課題。

近年來，CAF抗性評估的標準化趨勢日益明顯，例如IPC協(xié)會在2003年就發(fā)布了相關(guān)測試標準，這都凸顯了CAF問題在電子制造領(lǐng)域日益增長的重要性。

研究方法：嚴謹?shù)膶嶒炘O(shè)計

為了深入理解CAF的形成與絕緣退化之間的關(guān)系，研究人員精心設(shè)計了一系列實驗。他們制造了易于識別絕緣退化部位的多層印制線路板樣品，并通過系統(tǒng)性地改變溫濕度條件、多層印制線路板材料類型、通孔壁間距以及通孔直徑等關(guān)鍵參數(shù)，來模擬不同的工作環(huán)境和設(shè)計變量。

PCB的測試pattern和截面圖示意如下所示：

測試設(shè)備包括臺式溫濕度箱、高加速應(yīng)力測試系統(tǒng)（HAST箱）和離子遷移評估系統(tǒng)，確保了測試環(huán)境的精確控制。

在整個測試過程中，研究人員持續(xù)監(jiān)測多層印制線路板的絕緣電阻變化，并在測試結(jié)束后，對疑似絕緣退化部位進行精細的顯微鏡觀察和元素分析，以捕捉CAF形成的微觀證據(jù)。 

關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：CAF的動態(tài)行為與影響因素

1. 絕緣電阻的“反復(fù)掙扎”

研究發(fā)現(xiàn)，在CAF形成過程中，多層印制線路板的絕緣電阻表現(xiàn)出一種獨特的動態(tài)行為：它會反復(fù)暫時下降，然后又恢復(fù)，如此循環(huán)。這種現(xiàn)象被推測是由于CAF的細微絲狀結(jié)構(gòu)在生長過程中，可能發(fā)生反復(fù)的斷裂和連接，導致絕緣性能的波動。

2. 溫度加速效應(yīng)與材料選擇

a）溫度加速：在60°C、85°C和110°C（均為85%rh）的條件下，多層印制線路板的失效模式相似。然而，在更為嚴苛的120°C/85%rh條件下，失效模式出現(xiàn)顯著差異，這表明極高溫度可能引入了其他失效機制，或?qū)Σ牧显斐闪诉^度損傷/引入了其他失效機制。

b）多層印制線路板材料：不同多層印制線路板材料對CAF的抗性表現(xiàn)出明顯差異。例如，無鹵素的多層印制線路板B型展現(xiàn)出最長的失效時間，而多層印制線路板C型的失效時間則相對較短。

值得注意的是，研究并未發(fā)現(xiàn)吸濕率與CAF失效時間之間存在直接相關(guān)性，這提示我們不能僅僅依靠吸濕特性來判斷多層印制線路板的CAF抗性。影響CAF抗性的因素更為復(fù)雜，可能包括內(nèi)層助焊劑殘留、鉆孔對通孔壁的損傷以及環(huán)氧樹脂與玻璃纖維之間的界面結(jié)合質(zhì)量等。

3. 通孔設(shè)計的影響

a）通孔壁間距：研究明確指出，通孔壁間距越小，多層印制線路板的失效時間越短，這強調(diào)了在設(shè)計高密度多層印制線路板時，通孔間距對CAF抗性的關(guān)鍵影響。

b）通孔直徑：不同通孔直徑對CAF抗性的影響不明顯，數(shù)據(jù)一致性有待進一步研究。

微觀觀察：CAF的“真面目”

通過高倍金相顯微鏡觀察和電子顯微鏡（含EDS）的銅元素映射分析，研究人員得以一窺CAF的微觀結(jié)構(gòu)。

a）CAF的生長路徑：測試后的樣品顯示，疑似CAF的物質(zhì)主要沿著玻璃纖維生長，這與CAF的定義相符。但在某些情況下，絕緣退化也可能發(fā)生在芯材和預(yù)浸料片（用于粘合芯材層的粘合片）之間，表明CAF的形成并非單一路徑。

b）CAF的形態(tài)與絕緣性能：絕緣電阻較低的樣品中，觀察到CAF的直徑更粗。這暗示著CAF在連接陽極和陰極后，其“絲狀”結(jié)構(gòu)可能變得更加致密，從而導致絕緣性能的急劇下降。

c）“潛伏期”的CAF：令人警醒的是，即使在測試結(jié)束時被判定為“無缺陷”的樣品中，也發(fā)現(xiàn)了CAF的存在。這表明CAF可能在絕緣電阻尚未顯著下降之前就已經(jīng)開始形成，如同一個“定時炸彈”，隨時可能引發(fā)失效。

結(jié)論

這項研究為我們理解多層多層印制線路板的CAF問題提供了寶貴的見解： 

1.CAF的形成是一個動態(tài)過程，伴隨著絕緣電阻的反復(fù)波動。

2.多層印制線路板材料選擇對CAF抗性具有顯著影響。

3.CAF主要沿著玻璃纖維生長，但也可能在其他界面形成。

4.CAF可能在絕緣性能顯著下降之前就已經(jīng)“潛伏”在PWB內(nèi)部。