印制线路板CAF失效研究
胡梦海
深圳市兴森快捷电路科技股份有限公司
摘 要：阳极导电丝（CAF）是PCB业内近十年来较为热门的可靠性问题之一，当PCBA工作在高温高湿的环境下时，有可能产生沿玻璃纤维生长的阳极导电丝CAF。本文主要以某种典型板材为例，从某板材在不同孔壁间距、不同外加偏压下的CAF性能考察入手，研究CAF产生的机理，并通过模型推算板材在不同外加偏压下的平均失效寿命（MTF），为后续其他板材耐CAF性能的考察提供了理论依据和试验基础。
关键词：阳极导电丝CAF；电化学迁移；水解；平均失效时间；Bell Labs模型；可靠性；
1 前言
随着集成电路和微电子技术的飞速发展，电子产品的体积越来越小，PCB也向更轻、薄、短、小发展。层间介质层厚度更薄，布线更密，孔壁间距更小，并且在进一步微细化中。在这样的层间、布线、孔密度下，PCB的绝缘性能受到越来越多的关注。如何在这样微细的产品上，保持其在整个寿命周期内的绝缘性能，是业内所有PCB制造商所面临的问题之一。
阳极导电丝（CAF）是近十年来十分热门的绝缘劣化失效，当PCBA在高温高湿的环境下带电工作时，在两绝缘导体间有可能会产生沿着树脂和玻纤的界面生长的CAF，最终导致绝缘不良，甚至短路失效。常见的CAF失效有三种，即分别发生在孔到孔、孔到线、线到线之间的失效情况，如图1所示：
图1 常见的CAF失效模式
其中孔到孔是最容易发生的失效，理所当然得到了更多的关注。那么在客户的耐CAF要求下，所使用的材料、制程，其耐CAF性能能否达到客户的要求，成为需要进行评估的重点内容。
2 CAF的产生机理
在高温高湿的条件下，PCB内部的树脂和玻纤会分离并形成可供铜离子迁移的通道，此时若在两个绝缘孔之间存在电势差，那么在电势较高的阳极上的铜会被氧化成为铜离子，铜离子在电场的作用下向电势较低的阴极迁移，在迁移的过程中，与板材中的杂质离子或OH-结合，生成了不溶于水的导电盐，并沉积下来，使两绝缘孔之间的电气间距急剧下降，甚至直接导通形成短路。在阳极、阴极的电化学反应如图2所示：
图2 CAF产生时的电化学反应
从产生机理上来看，可以将CAF产生的过程分为两个过程进行研究分析，即树脂与玻纤分离的过程和电化学迁移的过程。一切CAF产生的前提，必须要使阳极产生的铜离子获得向阴极移动的路径，即树脂与玻纤产生分离。在高温高湿的影响下，树脂和玻纤之间的附着力出现劣化，并促成玻纤表面的硅烷偶联剂产生水解，从而导致了电化学迁移路径的产生。笔者针对CAF产生的两个过程：水解和电化学迁移，做了一系列试验进行验证。
3 试验设计
4 CAF失效数据
4.1 试验板孔粗+灯芯的测量
对试验板取切片测得所有模块的孔粗+灯芯在30μm左右，那么CAF产生所需克服的电气间距应为设计孔壁间距减去0.06mm。
4.2 CAF失效观察
图4为产生CAF失效的孔壁间距为0.2mm的模块的切片截面图，可以看到，在两个绝缘孔之间产生了明显的CAF现象：
图4 产生CAF失效的切片截面图（与玻纤平行）
4.3 不同外加偏压下的平均失效时间数据
对设计孔壁间距为0.2-0.35mm之间的材料A制作的试验板分别在500V、300V、100V、10V、3.3V下测得其平均失效时间，如图5所示：
图5 不同外加偏压下的平均CAF失效时间
5 CAF的产生过程及平均失效时间的分析
如图5所示，有以下趋势：
1）当外加偏压一定时，随着孔壁间距的上升，其平均CAF失效时间也大幅提高；
2）当孔壁间距一定，外加偏压较大（100V以上）时，所有孔壁间距在500V、300V、100V三种外加偏压下的平均CAF失效时间差异较小，基本保持同一水平；当外加偏压较小（10V以下）时，所有孔壁间距在10V、3.3V两种外加偏压下的平均CAF失效时间差异较大。
产生2）中的趋势可能为以下原因：CAF的产生过程由水解和电化学迁移组成，我们假设在分析平均CAF失效时间时，可以将其拆分为水解时间和电化学迁移时间分别进行分析和试验验证。由于水解和电化学迁移速度受外加偏压的影响程度不同，那么在不同的外加偏压下，如果水解时间和电化学迁移时间在平均CAF失效时间中的比重发生了偏移，就有可能产生两段不同的趋势。这样的假设是否成立，必须要考察的是水解时间和电化学迁移时间的独立性，水解时间和电化学迁移时间是否互相没有影响。
5.1 水解和电化学迁移的独立性研究
（1）无外加偏压下的水解情况
图6为材料A制作的试验板中孔壁间距为0.2mm的模块在双85条件（温度85℃、湿度85%RH）无外加偏压下放置96h后的孔壁情况切片图：
图6 未加电样品的切片截面图
如图6所示，在无外加偏压的情况下，在两孔间也产生了明显的树脂与玻纤分离的现象，证明了水解这一过程在无外加偏压的情况下也会产生。
（2）外加偏压对水解的影响
外加偏压虽然不是水解过程的必要条件，但要确定是否在一定程度上加快或延缓了水解速度，使得水解时间发生变化。因此设计以下试验验证：将材料A制作的试验板，在双85条件下静置0小时、2小时、4小时、8小时后，分别施加500V外加偏压，得到设计孔壁间距0.2、0.25、0.3mm下的失效时间，如表1：
表1 外加偏压对水解的影响
如果外加偏压对水解速度有明显的加快或延缓，由于各个条件下的静置时间和加电时间是各不相同的，那么4种情况（分别静置0、2、4、8小时再加外加偏压）下的总失效时间应有较大偏差。但从实际数据来看，所有孔壁间距下的4种情况的总失效时间并没有太大波动。因此，可以推断外加偏压对水解时间的影响可以忽略不计，外加偏压对于水解速度没有明显的加快或延缓。
（3）水解时间的确定
1） 外加偏压500V时的电化学迁移时间
在①中，已经证明了水解这一过程在无外加偏压的情况下也会发生。假设在双85条件（温度85℃、湿度85%RH）无外加偏压下放置96h后，孔壁间距0.2mm-0.35mm的模块均已完成了水解过程，形成了铜离子迁移的通道。再对所有模块施加500V的外加偏压，即得到500V下的电化学迁移时间。试验得出，设计孔壁间距0.2mm-0.35mm的模块在外加偏压500V时的电化学迁移时间均在0.5小时以内，相对于总失效时间可以忽略不计。
2）水解时间的确定
对选用材料A制作的试验板进行CAF试验（双85条件，外加偏压500VDC），即可近似得到设计孔壁间距0.2mm-0.35mm下的水解时间，如图7：
图7 材料A在不同孔壁间距下的水解时间
从图7可以看到，随着孔壁间距的增加，其水解时间也在上升，近似成正比关系。
5.2 平均CAF失效时间的分解分析
从上面的一系列试验中，可以证明水解时间和电化学迁移时间之间是相互独立的，水解时间和电化学迁移时间互相没有影响：
①未施加偏压的情况下，水解过程也可进行；在施加外加偏压的情况下，水解速度无明显加快或延缓；水解时间与外加偏压无关。
②指定板材、孔壁间距下的水解时间是一定的，且随着孔壁间距的上升而近似成正比关系上升。
因此平均CAF失效时间可以拆分成水解时间和电化学迁移时间分别进行分析和试验。那么以下公式应是成立的：平均CAF失效时间（MTF）=水解时间（T1）+电化学迁移时间（T2）。 当外加偏压较大（100V以上）时，电化学迁移速度快于水解速度，平均CAF失效时间（MTF）主要取决于水解时间（T1），接近于材料A在指定孔壁间距下的水解时间；当外加偏压较小（10V以下）时，水解速度快于电化学迁移速度，平均CAF失效时间（MTF）主要取决于电化学迁移时间（T2）。而水解时间（T1）不受外加偏压影响，电化学迁移时间（T2）受外加偏压影响，因此图5中的曲线随着外加偏压的变化呈现两段趋势。
6 不同外加偏压下的平均CAF失效时间计算和验证
6.1 不同外加偏压下的平均CAF失效时间计算
由于客户对于CAF实验的标准各不相同，特别是外加偏压的要求，但若每次都要对不同间距、不同外加偏压的平均CAF失效时间进行试验确定，花费时间太多。因此，尝试用模型的方式快速确定指定板材在不同间距、不同外加偏压下的平均CAF失效时间。
在Telcordia Technologies所提出的GR-78-Core 标准中描述了CAF产生的Bell Labs模型，对于CAF失效的平均失效时间有如下理论公式：
其中a、b、n、d为常数，L为电气间距，V为外加电压，H为相对湿度，Ea为激活能，k为波尔茨曼常数。
公式⑴可变换为公式⑵：
公式⑵中的前半部分可以理解为水解时间（T1），水解时间（T1）的影响因素主要包括相对湿度、温度，而a、d取决于材料本身的吸水能力和连接剂的性质；后半部分可以理解为电化学迁移时间（T2），电化学迁移时间（T2）的影响因素主要包括电气间距、外加电压、相对湿度、温度，而b、n取决于材料本身的吸水能力和杂质离子含量。
那么当使用指定板材，且电气间距、相对湿度、温度一定时，可以将公式⑵变换为公式⑶：
其中e为取决于相对湿度、温度、材料性质的常数，f为取决于电气间距、外加电压、相对湿度、温度、材料性质的常数。按照前面的分析，其中e为水解时间，而后面的电化学迁移时间与外加偏压V成简单的反比关系。那么就可以通过得到指定板材在某些外加偏压下的失效时间，再通过公式⑶算出e和f，再计算所有外加偏压下的平均失效时间。
采用设计孔壁间距为0.2mm的模块在500V、300V、100V、10V、3.3V下的平均失效时间数据线性拟合得到e为7.88751，f为22.67538。采用设计孔壁间距为0.3mm的模块在500V、300V、100V、10V、3.3V下的平均失效时间数据线性拟合得到e为21.14556，f为590.16095。可以看到其e值与对应孔壁间距下的水解时间相近。将理论得到的不同外加偏压（500V、300V、100V、10V、3.3V）下的平均失效时间与实际试验得到的平均失效时间进行对比，如图8：
图8 理论计算与实际试验的平均失效时间对比
如图8所示，通过对Bell Labs模型公式的推导，可以将模型简化成为
，再通过指定板材在某些外加偏压下的失效时间数据，线性拟合得到常数e和f，便能够较好地推算出指定板材在不同外加偏压下平均CAF失效时间的基本趋势和寿命的大致范围。
7 结论
⑴CAF产生的过程可以分为两个阶段考虑，即水解过程和电化学迁移过程，这两个过程相互之间是独立的；指定板材、孔壁间距下的水解时间是一定的，且随着孔壁间距的上升近似成正比关系上升；通过外加较高偏压（如500V）的试验，可以确定指定板材、间距下的水解时间；
⑵平均CAF失效时间（MTF）=水解时间（T1）+电化学迁移时间（T2），当外加偏压较大（100V以上）时，电化学迁移速度快于水解速度，平均CAF失效时间（MTF）取决于水解时间（T1），接近于材料在指定孔壁间距下的水解时间；当外加偏压较小（10V以下）时，水解速度快于电化学迁移速度，平均CAF失效时间（MTF）取决于电化学迁移时间（T2）；
⑶通过对Bell Labs模型公式的推导，可以将公式简化为
，再通过指定板材在某些外加偏压下的失效时间数据，线性拟合得到常数e和f，便能够较好地推算出指定板材在不同外加偏压下平均失效时间的基本趋势和寿命的大致范围；为后续其他板材平均CAF失效寿命的研究提供了理论依据和试验基础。
参考文献：
⑴蔡积庆.PWB设计制造工艺和基材对耐CAF影响的评估.印制电路信息.2003（6）
⑵李娅婷.关于业内CAF研究现状的调查报告.2004
⑶陈健.高密系统PCB如何面对CAF风险.印制电路信息.2009（z1）
⑷白蓉生.基材板玻纤纱漏电之探讨.
⑸GR-78-Core,Generic Requirements for the Physical Design and Manufacture of Telecommunications Products and Equipment.Telcordia Technologies.1997
⑹Mitchell JP.Welsher T L.Conductive Anodic Filament Growth In Printed Circuit Materials.1981
⑺Lavanya Gopolakrishnan.Conductive Anodic Filament Formation-Effect of Feature Sizes On Product Reliability.
⑻Tarun Amla.Conductive Anodic Filament Growth Failure.Isola Laminate Systems Corp.2002
声明：本文已在《印制电路信息》刊登
