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(lái)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(lái)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(gè)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(yáng)極導(dǎo)電絲（CAF）是近十年來(lái)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(shí)，在兩絕緣導(dǎo)體間有可能會(huì)產(chǎn)生沿著樹脂和玻纖的界面生長(zhǎng)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(píng)估的重點(diǎn)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(huì)分離并形成可供銅離子遷移的通道，此時(shí)若在兩個(gè)絕緣孔之間存在電勢(shì)差，那么在電勢(shì)較高的陽(yáng)極上的銅會(huì)被氧化成為銅離子，銅離子在電場(chǎng)的作用下向電勢(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，生成了不溶于水的導(dǎo)電鹽，并沉積下來(lái)，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(yáng)極、陰極的電化學(xué)反應(yīng)如圖2所示：

圖2 CAF產(chǎn)生時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)

從產(chǎn)生機(jī)理上來(lái)看，可以將CAF產(chǎn)生的過程分為兩個(gè)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(yáng)極產(chǎn)生的銅離子獲得向陰極移動(dòng)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(duì)CAF產(chǎn)生的兩個(gè)過程：水解和電化學(xué)遷移，做了一系列試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4 CAF失效數(shù)據(jù)

4.1 試驗(yàn)板孔粗+燈芯的測(cè)量

對(duì)試驗(yàn)板取切片測(cè)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(jì)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(gè)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(shí)間數(shù)據(jù)

對(duì)設(shè)計(jì)孔壁間距為0.2-0.35mm之間的材料A制作的試驗(yàn)板分別在500V、300V、100V、10V、3.3V下測(cè)得其平均失效時(shí)間，如圖5所示：

圖5 不同外加偏壓下的平均CAF失效時(shí)間

5 CAF的產(chǎn)生過程及平均失效時(shí)間的分析

如圖5所示，有以下趨勢(shì)：

1）當(dāng)外加偏壓一定時(shí)，隨著孔壁間距的上升，其平均CAF失效時(shí)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(shí)，所有孔壁間距在500V、300V、100V三種外加偏壓下的平均CAF失效時(shí)間差異較小，基本保持同一水平；當(dāng)外加偏壓較?。?0V以下）時(shí)，所有孔壁間距在10V、3.3V兩種外加偏壓下的平均CAF失效時(shí)間差異較大。

產(chǎn)生2）中的趨勢(shì)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(shí)間時(shí)，可以將其拆分為水解時(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)間分別進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)間在平均CAF失效時(shí)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(shì)。這樣的假設(shè)是否成立，必須要考察的是水解時(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)間的獨(dú)立性，水解時(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)間是否互相沒有影響。

5.1 水解和電化學(xué)遷移的獨(dú)立性研究

（1）無(wú)外加偏壓下的水解情況

圖6為材料A制作的試驗(yàn)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(wú)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(wú)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(wú)外加偏壓的情況下也會(huì)產(chǎn)生。

（2）外加偏壓對(duì)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(shí)間發(fā)生變化。因此設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)驗(yàn)證：將材料A制作的試驗(yàn)板，在雙85條件下靜置0小時(shí)、2小時(shí)、4小時(shí)、8小時(shí)后，分別施加500V外加偏壓，得到設(shè)計(jì)孔壁間距0.2、0.25、0.3mm下的失效時(shí)間，如表1：

表1 外加偏壓對(duì)水解的影響

如果外加偏壓對(duì)水解速度有明顯的加快或延緩，由于各個(gè)條件下的靜置時(shí)間和加電時(shí)間是各不相同的，那么4種情況（分別靜置0、2、4、8小時(shí)再加外加偏壓）下的總失效時(shí)間應(yīng)有較大偏差。但從實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)看，所有孔壁間距下的4種情況的總失效時(shí)間并沒有太大波動(dòng)。因此，可以推斷外加偏壓對(duì)水解時(shí)間的影響可以忽略不計(jì)，外加偏壓對(duì)于水解速度沒有明顯的加快或延緩。

（3）水解時(shí)間的確定

1）外加偏壓500V時(shí)的電化學(xué)遷移時(shí)間

在①中，已經(jīng)證明了水解這一過程在無(wú)外加偏壓的情況下也會(huì)發(fā)生。假設(shè)在雙85條件（溫度85℃、濕度85%RH）無(wú)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(duì)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(shí)間。試驗(yàn)得出，設(shè)計(jì)孔壁間距0.2mm-0.35mm的模塊在外加偏壓500V時(shí)的電化學(xué)遷移時(shí)間均在0.5小時(shí)以內(nèi)，相對(duì)于總失效時(shí)間可以忽略不計(jì)。

2）水解時(shí)間的確定

對(duì)選用材料A制作的試驗(yàn)板進(jìn)行CAF試驗(yàn)（雙85條件，外加偏壓500VDC），即可近似得到設(shè)計(jì)孔壁間距0.2mm-0.35mm下的水解時(shí)間，如圖7：

圖7 材料A在不同孔壁間距下的水解時(shí)間

從圖7可以看到，隨著孔壁間距的增加，其水解時(shí)間也在上升，近似成正比關(guān)系。

5.2平均CAF失效時(shí)間的分解分析

從上面的一系列試驗(yàn)中，可以證明水解時(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)間之間是相互獨(dú)立的，水解時(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)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(wú)明顯加快或延緩；水解時(shí)間與外加偏壓無(wú)關(guān)。

②指定板材、孔壁間距下的水解時(shí)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(shí)間可以拆分成水解時(shí)間和電化學(xué)遷移時(shí)間分別進(jìn)行分析和試驗(yàn)。那么以下公式應(yīng)是成立的：平均CAF失效時(shí)間（MTF）=水解時(shí)間（T1）+電化學(xué)遷移時(shí)間（T2）。當(dāng)外加偏壓較大（100V以上）時(shí)，電化學(xué)遷移速度快于水解速度，平均CAF失效時(shí)間（MTF）主要取決于水解時(shí)間（T1），接近于材料A在指定孔壁間距下的水解時(shí)間；當(dāng)外加偏壓較?。?0V以下）時(shí)，水解速度快于電化學(xué)遷移速度，平均CAF失效時(shí)間（MTF）主要取決于電化學(xué)遷移時(shí)間（T2）。而水解時(shí)間（T1）不受外加偏壓影響，電化學(xué)遷移時(shí)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(shì)。

6 不同外加偏壓下的平均CAF失效時(shí)間計(jì)算和驗(yàn)證

6.1不同外加偏壓下的平均CAF失效時(shí)間計(jì)算

由于客戶對(duì)于CAF實(shí)驗(yàn)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(duì)不同間距、不同外加偏壓的平均CAF失效時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)確定，花費(fèi)時(shí)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(shí)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(duì)于CAF失效的平均失效時(shí)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(duì)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(shí)間（T1），水解時(shí)間（T1）的影響因素主要包括相對(duì)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(shí)間（T2），電化學(xué)遷移時(shí)間（T2）的影響因素主要包括電氣間距、外加電壓、相對(duì)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(duì)濕度、溫度一定時(shí)，可以將公式⑵變換為公式⑶：

其中e為取決于相對(duì)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(duì)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(shí)間，而后面的電化學(xué)遷移時(shí)間與外加偏壓V成簡(jiǎn)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(shí)間，再通過公式⑶算出e和f，再計(jì)算所有外加偏壓下的平均失效時(shí)間。

采用設(shè)計(jì)孔壁間距為0.2mm的模塊在500V、300V、100V、10V、3.3V下的平均失效時(shí)間數(shù)據(jù)線性擬合得到e為7.88751，f為22.67538。采用設(shè)計(jì)孔壁間距為0.3mm的模塊在500V、300V、100V、10V、3.3V下的平均失效時(shí)間數(shù)據(jù)線性擬合得到e為21.14556，f為590.16095。可以看到其e值與對(duì)應(yīng)孔壁間距下的水解時(shí)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(shí)間與實(shí)際試驗(yàn)得到的平均失效時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，如圖8：

圖8 理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)的平均失效時(shí)間對(duì)比

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

，再通過指定板材在某些外加偏壓下的失效時(shí)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(shí)間的基本趨勢(shì)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(gè)階段考慮，即水解過程和電化學(xué)遷移過程，這兩個(gè)過程相互之間是獨(dú)立的；指定板材、孔壁間距下的水解時(shí)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(yàn)，可以確定指定板材、間距下的水解時(shí)間；

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

⑶通過對(duì)Bell Labs模型公式的推導(dǎo)，可以將公式簡(jiǎn)化為

再通過指定板材在某些外加偏壓下的失效時(shí)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(shí)間的基本趨勢(shì)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(yàn)基礎(chǔ)。