摘要  隨著電子產品的快速發展，電子設備更是朝著輕、薄、小的方向發展，使得印制電路板CAF問題成為影響產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效應分析和改善的依據。

 

1、 前言

 

　　在電子設備領域，以汽車電子或某些軍工裝備為例，其對耐高溫高濕環境的要求較高。隨著此類產品向著高密度化發展，孔間距越來越小，這使得印制板對孔的可靠性要求也相應提高，所以印制電路板產生的導電陽極燈絲就成為影響產品可靠性的重要因素。

 

　　導電陽極絲（英文簡稱：CAF;全稱：ConductiveAnodic Filament）是指PCB內部銅離子從陽極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過程中發生的銅與銅鹽的漏電行為。當PCB/PCBA在高溫高濕的環境下帶電工作時，兩絕緣導體間可能會產生嚴重的沿著樹脂或玻纖界面生長的CAF，此現象將終導致絕緣不良，甚至短路失效。

 

　　CAF導致的短路如圖1所示。

 

 

2、 CAF失效機理

 

2.1 CAF失效機理

 

　　CAF的產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劣化，并促成玻纖表面的硅烷偶聯劑產生水解，從而導致了電化學遷移路徑（即銅離子遷移的通道）的產生。

 

　　（2）導電陽極絲增長

 

　　離子遷移通道產生后，如果此時在兩個絕緣孔之間存在電勢差，則在電勢較高的陽極上的銅會被氧化為銅離子，銅離子在電場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，生成不溶于水的導電鹽，并沉積下來，使兩絕緣孔之間的電氣間距急劇下降，甚至直接導通形成短路。在陽極、陰極的電化學反應如圖2所示。

 

 

2.2 CAF形成的影響因素

 

　　對于成品PCB，CAF的形成主要影響因素有：

 

　　PCB設計，板材配本，PCB加工過程。以下就這些影響因素進行分析。

 

 2.2.1 PCB設計的影響

 

　　在PCB的結構中孔的排列方式對CAF性能影響較大，孔的排列方式不同，其CAF效應不同，一般存在三種排列方式（如圖3所示）。三種排列方式中耐CAF性能由強到弱的次序為：錯位排列>緯向排列>經向排列。原因如下：

 

 

　　（1）CAF的發生主要是沿著玻璃紗束的方向進行，錯位排列可以對CAF的產生形成迂回作用，從而不容易發生CAF失效。

 

　　（2）緯向玻璃紗相比經向扁平疏松，樹脂的浸潤性更好，同時鉆孔的裂傷也會比經向的輕微，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構。

 

　　以下為三種普通玻纖布的物理編織結構。這三種編織結構的樹脂含量及浸潤性優勢對比（圖4）：1080>2116>7628，即1080PP片不容易產生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生的微小空隙對CAF性能有很大的影響，主要包括以下幾個方面：

 

　　（1）壓板時壓力。升溫速率以及高溫段的固化溫度和時間都對CAF性能有影響，但影響的是高溫段的固化溫度和時間。

 

　　（2）除膠參數：除膠參數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。

 

　　（3）孔壁粗糙度：除了上面講的除膠參數，孔粗還取決于鉆孔參數和鉆針的研磨次數，孔壁粗糙度越大，越容易發生CAF失效。

 

3、CAF失效的分析方法

 

3.1 CAF失效模式簡介

 

　　CAF現象一般發生在PTH孔與PTH孔、PTH孔與線、線與線、層與層之間。為準確的分析失效原因，必須了解線路板的內部結構，再根據結構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

 

　　由于CAF失效引起的短路通常很微小，所以要確認失效點，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域，步驟如下：

 

      （1）先把一個單元的分成兩個小單元；

 

      （2）用高阻計分別對這兩個小單元進行絕緣電阻測試；

 

      （3）對阻值偏小的單元再切割。

 

　　以此類推，直到找出失效點。使用半分法找到CAF失效短路區域實例圖如圖6所示。

 

 

3.3 切片檢查

 

　　找到失效位置后，需對失效產品進行剖切，以確認CAF形成的真正原因。首先需對失效區域進行垂直研磨，以找出發生CAF的層數。

 

　　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，存在銅遷移現象。實例圖如圖7所示。

 

 

　　其次對失效區域進行水平研磨，可以觀察到孔間的CAF情況，如圖8所示，可發現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是用聚焦的很細的電子束照射被檢測的試樣表面，通過檢測二次電子或背散射電子信息進行形貌觀察，同時測量電子與試樣相互作用所產生的特征X-射線的（頻率）波長與強度，從而對微小區域所含元素進行定性或定量分析。

 

　　基于以上原理，將上述剖切好的切片失效區域使用SEM觀察其外觀（如圖9所示），同時利用EDS對不良區域進行元素分析。在正常區一般由碳、氧、鎳等元素組成，而有CAF通過的區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的數據顯示與以上所講理論相符。

 

4、防止CAF效應對策

 

　　目前，越來越多的客戶對產品的CAF性能提出要求，作為PCB加工商，應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。根據以上分析和實例剖析，提出以下幾種改善措施供參考：

 

　　（1）優化密集孔設計，盡量采用錯位排列的方式設計孔的分布；

 

　　（2）優先選用耐CAF的板材（選擇開纖布壓制成的板材）；

 

　　（3）盡量避免使用7628等粗纖維材料（尤其是間距≤0。7 mm的產品）；

 

　　（4）對PCB鉆孔。除膠渣等對CAF影響較大的工序嚴格管控。

 

5、總結

 

　　本文通過分析CAF失效機理，詳解了CAF失效分析方法，提出相應的改善對策，為CAF失效問題提出了預防思路。

 

5.1 CAF失效機理

 

　　（1）CAF失效通過兩步進行：

 

      第一步：化學鍵水解；

 

      第二步：導電陽極絲增長。

 

　　（2）CAF形成的影響因素主要包括PCB設計的影響，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

 

　　（1）通常使用半分法來鎖定失效區域；

 

　　（2）使用切片觀察，垂直研磨找出層數，水平研磨找CAF失效點；

 

　　（3）SEM&EDS分析，使用SEM觀察外觀，EDS對不良區域進行元素分析。

 

5.3 防止CAF效應對策

 

　　應從設計、制作、分析三方面進行全方位入手，盡量避免使用可能增大CAF效應的方法。