FR4的離子遷移性之研究

1、FR-4的離子遷移性之研究 謝凡榮定義：CAF（conduction anodic filament）:陽(yáng)極導(dǎo)電細(xì)絲，又叫離子遷移，形狀多為樹枝狀CAF的形成是一種典型的電化學(xué)遷移。是在導(dǎo)體線路間施加電壓時(shí)，經(jīng)絕緣體表面，界面及內(nèi)部導(dǎo)體金屬溶解、離子化、移動(dòng)和析出的現(xiàn)象。在標(biāo)準(zhǔn)的FR-4的板料中，PCB中的電化學(xué)遷移的產(chǎn)生已經(jīng)被定義CAF漏電通道。他是沿著PCB中樹脂和其中的增強(qiáng)劑玻璃纖維的界面而進(jìn)行的。CAF的形成原因分析：CAF一般出現(xiàn)在鍍通孔之間，鍍通孔到其他絕緣層的導(dǎo)線之間，導(dǎo)線到導(dǎo)線之間等。有時(shí)一些機(jī)械應(yīng)力（如鉆孔中產(chǎn)生、熱循環(huán)中兩種材料的CTE(熱膨脹系數(shù))不匹配產(chǎn)生）所引起的爆板

2、、分層也會(huì)在玻纖和樹脂之間的界面上形成CAF通道。但通常最易出現(xiàn)的是孔和孔之間。CAF的產(chǎn)生分兩階段：1、初始階段：耦合劑硅烷的水解，固在產(chǎn)生的第一階段，足夠的濕氣和水分是必不可少的，2、成長(zhǎng)階段，在次階段，導(dǎo)體間的偏轉(zhuǎn)電壓是不可缺少的。早期的研究表明：由于濕氣，樹脂和玻纖之間產(chǎn)生分離，如果玻纖處理不好的話（樹脂在玻纖中的浸潤(rùn)不良或玻纖的耦合處理不良），這種情況將會(huì)很快產(chǎn)生，如果處理的好的話，硅烷的水解將會(huì)很慢，如有輕度水解，通過(guò)烘板，也會(huì)復(fù)原。最近有很多針對(duì)各種板材抗CAF性的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：有些樹脂體系的抗CAF能力非常差。在這些有玻纖增強(qiáng)的樹脂體系中，如果玻纖是散開型（Chopped glas

3、s）的，相比于布狀玻纖，則CAF出現(xiàn)的幾率大大減少。在板料中，隨著溫度的升高，吸濕率增加，從而導(dǎo)致CAF出現(xiàn)之幾率也加大，對(duì)于普通的FR-4板料而言，玻纖、樹脂的純度、兩者之間耦合的程度、樹脂的流動(dòng)度、吸濕率對(duì)CAF的產(chǎn)生都有很大的影響，同時(shí)，在常規(guī)的冷熱循環(huán)中（20-200），由于兩者的CTE值的不匹配產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力會(huì)促進(jìn)兩者的老化，降低兩者間結(jié)合力，也進(jìn)一步促使CAF的產(chǎn)生。下表為幾種常見的板材的抗CAF性能：樹脂類型增強(qiáng)莖類型等級(jí)BT布織玻纖Excellent聚醯胺樹脂布織玻纖Excellent聚脂樹脂布織玻纖Low  散開型玻纖Good環(huán)氧樹脂，撓性板無(wú)玻纖Good 

4、 布織玻纖Good環(huán)氧樹脂，剛性板布織玻纖poorCAF試驗(yàn)的測(cè)試圖形、設(shè)備和方法：目前對(duì)CAF研究比較多的是日本，對(duì)于抗測(cè)試板的測(cè)試條件也沒有很統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，JPCA-ET04：2001印制線路板環(huán)境試驗(yàn)方法溫濕度恒定試驗(yàn)（8585%RH）（社）日本印制電路工業(yè)會(huì)中推薦為8585%RH偏電壓為100DVC，但很多家公司也有自己的測(cè)試條件和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。如日本的三菱，東芝，松下等公司都有自己的測(cè)試樣板、條件和標(biāo)準(zhǔn)。在目前，大多的測(cè)試板都是四層板，并不能很好的代表目前所生產(chǎn)的薄介質(zhì)的多層板。至于為何要用以上的條件、接受的絕緣電阻和時(shí)間？這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是怎樣被介定的？目前在整個(gè)的行業(yè)都還沒有詳細(xì)的說(shuō)明。抗CA

5、F的測(cè)試圖形主要有以下幾種：1、測(cè)線到線的:測(cè)試圖形按圖的梳型圖形，或者制品中使用相同的圖形基板。也可根據(jù)IPC-SM-840規(guī)定的梳形形狀（IPC多功能測(cè)試板）設(shè)計(jì).圖1：線到線   2、到孔邊的：右邊為兩種測(cè)試圖形，上圖為孔順著玻纖的經(jīng)緯向方向排列，下圖為錯(cuò)開排列，第一種用得更為廣泛?？妆陂g距可從幾MIL到幾十不等，隨試驗(yàn)設(shè)計(jì)者需要而定。   圖2、孔到孔 CAF試驗(yàn)測(cè)試方法和設(shè)備CAF試驗(yàn)的測(cè)試裝置有以下四種: 1、電壓降法測(cè)量：設(shè)備簡(jiǎn)單。但測(cè)量的范圍比較小。其方法是將檢測(cè)電流的電阻竄聯(lián)在試驗(yàn)電路中，用高靈敏度的電壓表測(cè)量其電壓，通過(guò)換算出印制電路板的電阻值。不用中斷

6、試驗(yàn)，就能測(cè)量線路間的電阻，其特長(zhǎng)是能連續(xù)監(jiān)測(cè)電流，但是要注意容易受到誘導(dǎo)噪音對(duì)測(cè)量電路的影響。因此電阻值超過(guò)1010時(shí)測(cè)量就困難，它是測(cè)量1078的范圍和判斷絕緣劣化狀況的簡(jiǎn)便方法。 2、緣電阻法測(cè)量：比較常用的一種方法，一般可以測(cè)到1013范圍3、重屏蔽電線的使用方法4、動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量記錄系統(tǒng)含有絕緣電阻測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄和監(jiān)視，測(cè)量系統(tǒng)是令人滿意的。注：在測(cè)試線路中，需設(shè)計(jì)一個(gè)兆歐級(jí)（10E+6）的短路電阻。用來(lái)自動(dòng)檢查出孔間或線間絕緣電阻值小于10E+6>的測(cè)試板。這個(gè)短路電阻的阻值如果太小，則一旦因CAF而短路，產(chǎn)生的熱量對(duì)周圍的樹脂的破壞則將特別的大。電阻的測(cè)試方法：可在箱內(nèi)

7、直接測(cè)量，也可以拿出來(lái)測(cè)量。如是自動(dòng)測(cè)量記錄系統(tǒng)則可節(jié)約很多的時(shí)間和人工。評(píng)價(jià)基準(zhǔn)：動(dòng)態(tài)測(cè)量在106以下、在室外的靜態(tài)測(cè)量107以下記錄為不良時(shí)間：一般為500-1000HR，（由產(chǎn)品的最低使用年為依據(jù)，）。如25年以上的，一般要求1000HR，國(guó)外也有一些公司為了縮短測(cè)試時(shí)間，節(jié)約成本，通過(guò)增加一個(gè)保險(xiǎn)的spacings系數(shù)或加大偏轉(zhuǎn)電壓來(lái)縮短時(shí)間，但后者并不可取，因?yàn)樘蟮碾妷汉蛯?shí)際的使用情況偏差會(huì)進(jìn)一步加大，從而導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。同時(shí)太大的偏轉(zhuǎn)電壓會(huì)使表面絕緣電阻下將。圖3 ：100DVC和10DVC偏轉(zhuǎn)電壓圖>：HI-TG 對(duì)普通TG（測(cè)試孔為順排）影響抗CAF性的因素：CAL

8、CE（UNIV，MD）針對(duì)CAF>做過(guò)大量的一系列的試驗(yàn)：上圖3為對(duì)普通的FR-4板材，用100VDC和10VDC的偏轉(zhuǎn)電壓測(cè)試，紅色線為100VDC的偏轉(zhuǎn)電壓下CAF出現(xiàn)的比率，青色為10VDC偏轉(zhuǎn)電壓下CAF出現(xiàn)的比列。圖四為針對(duì)高TG和普通TG的兩種板材測(cè)試其抗CAF性，測(cè)試鍍通孔的排列方式是順著玻纖經(jīng)緯向的排列的。由右圖可看出；當(dāng)孔間SPACINGS在A2（10.8MIL）處時(shí)高TG板料的CAF出現(xiàn)之幾率比普通TG的板料要高很多。然而，當(dāng)SPACINGS達(dá)到A3（15MIL）時(shí)，兩者基本接近。 PCB設(shè)計(jì)者也應(yīng)注意：在使用高TG的板料時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)募哟骃PACING，防止CAF出現(xiàn)

9、。圖5同樣為高TG板料對(duì)普通TG板料的抗CAF試驗(yàn)，但測(cè)試孔的排列為錯(cuò)開型的（見上圖2），對(duì)錯(cuò)開型而言，在B1處(SPACINGS為10.4MIL），高TG的板料個(gè)更易出現(xiàn)CAF，圖4和圖5相比，當(dāng)孔間相互錯(cuò)開，其CAF性能比之順著玻纖經(jīng)緯向排列遠(yuǎn)遠(yuǎn)要好。圖5：HI-TG對(duì)普通TG（測(cè)試孔為錯(cuò)開排列）圖6：表面OSP處理和HASL處理(測(cè)試孔為順玻纖方向排列）>圖6為針對(duì)測(cè)試板有機(jī)保護(hù)膜處理和噴錫處理兩種情況測(cè)試其抗CAF性（普通FR-4板料），由右圖可知，經(jīng)過(guò)有機(jī)保護(hù)處理的PCB比噴錫處理的板子抗CAF性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)要好。由此可知，成品的表面處理方式對(duì)其抗CAF性有很大的影響。近期，很多的敷銅板生產(chǎn)廠家開發(fā)了?？沟陌辶?，如日立公司的MCL-E-67等。結(jié)論：就目前所知，CAF不但和板材本身的抗CAF性有很大的關(guān)系，如玻璃纖維的類型，