常見的三種印制線路板CAF失效

1 前言

隨著集成電路和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來越小，PCB也向更輕、薄、短、小發(fā)展。層間介質(zhì)層厚度更薄，布線更密，孔壁間距更小，并且在進(jìn)一步微細(xì)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(guān)注。如何在這樣微細(xì)的產(chǎn)品上，保持其在整個壽命周期內(nèi)的絕緣性能，是業(yè)內(nèi)所有PCB制造商所面臨的問題之一。

陽極導(dǎo)電絲（CAF）是近十年來十分熱門的絕緣劣化失效，當(dāng)PCBA在高溫高濕的環(huán)境下帶電工作時，在兩絕緣導(dǎo)體間有可能會產(chǎn)生沿著樹脂和玻纖的界面生長的CAF，最終導(dǎo)致絕緣不良，甚至短路失效。常見的CAF失效有三種，即分別發(fā)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(fā)生的失效，理所當(dāng)然得到了更多的關(guān)注。那么在客戶的耐CAF要求下，所使用的材料、制程，其耐CAF性能能否達(dá)到客戶的要求，成為需要進(jìn)行評估的重點內(nèi)容。

2 CAF的產(chǎn)生機(jī)理

在高溫高濕的條件下，PCB內(nèi)部的樹脂和玻纖會分離并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，那么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(zhì)離子或OH-結(jié)合，生成了不溶于水的導(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：

圖2 CAF產(chǎn)生時的電化學(xué)反應(yīng)

從產(chǎn)生機(jī)理上來看，可以將CAF產(chǎn)生的過程分為兩個過程進(jìn)行研究分析，即樹脂與玻纖分離的過程和電化學(xué)遷移的過程。一切CAF產(chǎn)生的前提，必須要使陽極產(chǎn)生的銅離子獲得向陰極移動的路徑，即樹脂與玻纖產(chǎn)生分離。在高溫高濕的影響下，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)遷移路徑的產(chǎn)生。筆者針對CAF產(chǎn)生的兩個過程：水解和電化學(xué)遷移，做了一系列試驗進(jìn)行驗證。

3 試驗設(shè)計

4 CAF失效數(shù)據(jù)

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，那么CAF產(chǎn)生所需克服的電氣間距應(yīng)為設(shè)計孔壁間距減去0.06mm。

4.2CAF失效觀察

圖4為產(chǎn)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(chǎn)生了明顯的CAF現(xiàn)象：

圖4 產(chǎn)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(shù)據(jù)

對設(shè)計孔壁間距為0.2-0.35mm之間的材料A制作的試驗板分別在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(chǎn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)外加偏壓較?。?0V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(chǎn)生2）中的趨勢可能為以下原因：CAF的產(chǎn)生過程由水解和電化學(xué)遷移組成，我們假設(shè)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(xué)遷移時間分別進(jìn)行分析和試驗驗證。由于水解和電化學(xué)遷移速度受外加偏壓的影響程度不同，那么在不同的外加偏壓下，如果水解時間和電化學(xué)遷移時間在平均CAF失效時間中的比重發(fā)生了偏移，就有可能產(chǎn)生兩段不同的趨勢。這樣的假設(shè)是否成立，必須要考察的是水解時間和電化學(xué)遷移時間的獨立性，水解時間和電化學(xué)遷移時間是否互相沒有影響。

5.1 水解和電化學(xué)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制作的試驗板中孔壁間距為0.2mm的模塊在雙85條件（溫度85℃、濕度85%RH）無外加偏壓下放置96h后的孔壁情況切片圖：

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(chǎn)生了明顯的樹脂與玻纖分離的現(xiàn)象，證明了水解這一過程在無外加偏壓的情況下也會產(chǎn)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(fā)生變化。因此設(shè)計以下試驗驗證：將材料A制作的試驗板，在雙85條件下靜置0小時、2小時、4小時、8小時后，分別施加500V外加偏壓，得到設(shè)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，由于各個條件下的靜置時間和加電時間是各不相同的，那么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(yīng)有較大偏差。但從實際數(shù)據(jù)來看，所有孔壁間距下的4種情況的總失效時間并沒有太大波動。因此，可以推斷外加偏壓對水解時間的影響可以忽略不計，外加偏壓對于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(xué)遷移時間

在①中，已經(jīng)證明了水解這一過程在無外加偏壓的情況下也會發(fā)生。假設(shè)在雙85條件（溫度85℃、濕度85%RH）無外加偏壓下放置96h后，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(xué)遷移時間。試驗得出，設(shè)計孔壁間距0.2mm-0.35mm的模塊在外加偏壓500V時的電化學(xué)遷移時間均在0.5小時以內(nèi)，相對于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制作的試驗板進(jìn)行CAF試驗（雙85條件，外加偏壓500VDC），即可近似得到設(shè)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(guān)系。

5.2平均CAF失效時間的分解分析

從上面的一系列試驗中，可以證明水解時間和電化學(xué)遷移時間之間是相互獨立的，水解時間和電化學(xué)遷移時間互相沒有影響：

①未施加偏壓的情況下，水解過程也可進(jìn)行；在施加外加偏壓的情況下，水解速度無明顯加快或延緩；水解時間與外加偏壓無關(guān)。

②指定板材、孔壁間距下的水解時間是一定的，且隨著孔壁間距的上升而近似成正比關(guān)系上升。

因此平均CAF失效時間可以拆分成水解時間和電化學(xué)遷移時間分別進(jìn)行分析和試驗。那么以下公式應(yīng)是成立的：平均CAF失效時間（MTF）=水解時間（T1）+電化學(xué)遷移時間（T2）。當(dāng)外加偏壓較大（100V以上）時，電化學(xué)遷移速度快于水解速度，平均CAF失效時間（MTF）主要取決于水解時間（T1），接近于材料A在指定孔壁間距下的水解時間；當(dāng)外加偏壓較?。?0V以下）時，水解速度快于電化學(xué)遷移速度，平均CAF失效時間（MTF）主要取決于電化學(xué)遷移時間（T2）。而水解時間（T1）不受外加偏壓影響，電化學(xué)遷移時間（T2）受外加偏壓影響，因此圖5中的曲線隨著外加偏壓的變化呈現(xiàn)兩段趨勢。

6 不同外加偏壓下的平均CAF失效時間計算和驗證

6.1不同外加偏壓下的平均CAF失效時間計算

由于客戶對于CAF實驗的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，特別是外加偏壓的要求，但若每次都要對不同間距、不同外加偏壓的平均CAF失效時間進(jìn)行試驗確定，花費時間太多。因此，嘗試用模型的方式快速確定指定板材在不同間距、不同外加偏壓下的平均CAF失效時間。

在Telcordia Technologies所提出的GR-78-Core 標(biāo)準(zhǔn)中描述了CAF產(chǎn)生的Bell Labs模型，對于CAF失效的平均失效時間有如下理論公式：

其中a、b、n、d為常數(shù)，L為電氣間距，V為外加電壓，H為相對濕度，Ea為激活能，k為波爾茨曼常數(shù)。

公式⑴可變換為公式⑵：

公式⑵中的前半部分可以理解為水解時間（T1），水解時間（T1）的影響因素主要包括相對濕度、溫度，而a、d取決于材料本身的吸水能力和連接劑的性質(zhì)；后半部分可以理解為電化學(xué)遷移時間（T2），電化學(xué)遷移時間（T2）的影響因素主要包括電氣間距、外加電壓、相對濕度、溫度，而b、n取決于材料本身的吸水能力和雜質(zhì)離子含量。

那么當(dāng)使用指定板材，且電氣間距、相對濕度、溫度一定時，可以將公式⑵變換為公式⑶：

其中e為取決于相對濕度、溫度、材料性質(zhì)的常數(shù)，f為取決于電氣間距、外加電壓、相對濕度、溫度、材料性質(zhì)的常數(shù)。按照前面的分析，其中e為水解時間，而后面的電化學(xué)遷移時間與外加偏壓V成簡單的反比關(guān)系。那么就可以通過得到指定板材在某些外加偏壓下的失效時間，再通過公式⑶算出e和f，再計算所有外加偏壓下的平均失效時間。

采用設(shè)計孔壁間距為0.2mm的模塊在500V、300V、100V、10V、3.3V下的平均失效時間數(shù)據(jù)線性擬合得到e為7.88751，f為22.67538。采用設(shè)計孔壁間距為0.3mm的模塊在500V、300V、100V、10V、3.3V下的平均失效時間數(shù)據(jù)線性擬合得到e為21.14556，f為590.16095?？梢钥吹狡鋏值與對應(yīng)孔壁間距下的水解時間相近。將理論得到的不同外加偏壓（500V、300V、100V、10V、3.3V）下的平均失效時間與實際試驗得到的平均失效時間進(jìn)行對比，如圖8：

圖8 理論計算與實際試驗的平均失效時間對比

如圖8所示，通過對Bell Labs模型公式的推導(dǎo)，可以將模型簡化成為

，再通過指定板材在某些外加偏壓下的失效時間數(shù)據(jù)，線性擬合得到常數(shù)e和f，便能夠較好地推算出指定板材在不同外加偏壓下平均CAF失效時間的基本趨勢和壽命的大致范圍。

7 結(jié)論

⑴CAF產(chǎn)生的過程可以分為兩個階段考慮，即水解過程和電化學(xué)遷移過程，這兩個過程相互之間是獨立的；指定板材、孔壁間距下的水解時間是一定的，且隨著孔壁間距的上升近似成正比關(guān)系上升；通過外加較高偏壓（如500V）的試驗，可以確定指定板材、間距下的水解時間；

⑵平均CAF失效時間（MTF）=水解時間（T1）+電化學(xué)遷移時間（T2），當(dāng)外加偏壓較大（100V以上）時，電化學(xué)遷移速度快于水解速度，平均CAF失效時間（MTF）取決于水解時間（T1），接近于材料在指定孔壁間距下的水解時間；當(dāng)外加偏壓較?。?0V以下）時，水解速度快于電化學(xué)遷移速度，平均CAF失效時間（MTF）取決于電化學(xué)遷移時間（T2）；

⑶通過對Bell Labs模型公式的推導(dǎo)，可以將公式簡化為

再通過指定板材在某些外加偏壓下的失效時間數(shù)據(jù)，線性擬合得到常數(shù)e和f，便能夠較好地推算出指定板材在不同外加偏壓下平均失效時間的基本趨勢和壽命的大致范圍；為后續(xù)其他板材平均CAF失效壽命的研究提供了理論依據(jù)和試驗基礎(chǔ)。