印制電路板的導電陽極絲檢測與預防

鐘文清 黃賢權 常會勇 王 俊

（深圳市景旺電子股份有限公司，廣東 深圳 518102）

0 前言

印制電路板（PCB）作為電子產品的基礎器件，制作要求不斷精細化，特別是對于需求日益增長的高頻板、汽車板、航空板等高可靠性要求的印制板，質量穩定性直接影響整機性能。導電陽極絲（CAF，Conductive Anodic Filament）引起的離子遷移這種潛伏周期長，跟環境變化有較強關聯的缺陷，如果不提前控制與預防必將存在較大的風險，勢必造成不可挽回的損失。

1 CAF現象

CAF是指在PCB中，兩個導體在高溫高濕和一定電勢差條件下，銅離子或者銅鹽順著纖維布與樹脂之間的縫隙發生緩慢遷移的過程，導致形成微小的漏電流，使本該絕緣的兩端發生了通路或者絕緣阻值急劇減小，最終影響線路板電氣性能的現象（如圖1）。

圖1 典型的導電陽極絲

對于發生CAF現象的兩個導體之間，一般把他總結為三個方面：孔與孔之間、孔與線之間、線與線之間（如圖2）。

圖2 導體之間CAF現象

2 CAF產生的原因

CAF的產生是一個持續過程，特別是在高溫高濕的環境下會加速進行，究其根本主要有以下兩個原因。

2.1 CAF的形成

在PCB或電子產品中，由于化學品殘留物、灰塵、金屬離子或導電的陽離子和濕氣等在電場作用下，通過絕緣層的表面、縫隙、微孔、界面等發生反應產生一系列的可以導電的銅鹽，最后促成了導電陽極絲（CAF）的產生。

2.2 傳輸導電陽極絲（CAF）通道的產生

傳輸通道產生原因比較多，主要體現在以下四個方面：

（1）PCB的大部分基材是由樹脂浸潤玻璃纖維布而成，那么起浸潤作用的偶聯劑在長時間的高溫高濕條件下會發生一定的水解，從而降低了玻璃纖維布與樹脂的附著性，最后導致兩者之間形成了微小的縫隙。

（2）鉆孔時高速運轉的鉆頭會使玻璃纖維束承受比較大的應力，導致其被拉扯分離，最終也會在玻璃纖維和樹脂之間產生一定的縫隙，從而為傳輸通道的產生提供了條件。

（3）除膠渣藥水的用量、濃度、時間等參數的調整不匹配也會使玻璃纖維束被過度咬蝕，從而在玻纖和樹脂之間產生一定的縫隙形成傳輸通道，這也就是燈芯效應的概念。

（4）在多層板層壓工藝中若層壓不良，也會使存在于玻纖和樹脂之間的氣泡難以趕盡，因此也產生了CAF傳輸通道。

3 CAF模擬測試方法

CAF測試是一個模擬實際使用環境的過程，即為測試樣品提供長時間的固定電壓和高溫高濕條件，在這種條件下在線測量樣品的絕緣阻值，用絕緣阻值的變化來反映測試區域絕緣性能的變化，以了解板內CAF的生長情況，并評估樣品實際使用條件和耐CAF性能。在CAF測試中，行業內常規使用或者參考的CAF測試方法的標準是IPC-TM650 2.6.25節，其中對CAF測試方法做了非常嚴謹的規定。為了更好的了解CAF測試分析的方法和步驟，結合本公司的測試設備使用及CAF測試經驗，以下是對其測試前預處理和測試步驟的解析。

3.1 測試儀器的要求

3.1.1 溫濕度環境試驗箱

可以長時間維持并記錄溫度為（65±2）℃或（85±2）℃，相對濕度為并帶有可插入測試線的孔口標準試驗箱。

3.1.2 絕緣電阻測試系統

（1）可以提供（10-1000）±2VDC的恒定電壓源，電流供應能力至少1 A。

（2）絕緣電阻測量量程可達1.0×1012Ω，精度為±5%，在電壓（100±2）VDC時，電阻可以測量到1010Ω精度為±5%或者電流可以測量到10-10A精度為±5%的類似高阻計。

（3）應在每個電流通道上串聯一個106Ω的電阻以達到嚴格控制限流電阻的作用，測量設備和電線的所有串聯電阻不應超過200Ω，否則對測試會有一定的影響（如圖3）。

圖3 環境試驗箱和絕緣電阻測試系統

3.2 測試步驟

（1）在（105±2）℃的干凈烤箱中放置30 min，以去除水分。

（2）樣品是無鉛的，那么參考標準IPCTM650 2.6.27過6次無鉛回流焊，有鉛板材，則過6次有鉛回流焊。

（3）參照標準IPC-TM650 2.3.25的操作，用75%異丙醇加25%蒸餾水的混合溶液對樣品進行清潔至離子污染水平低于1.0 μg/cm2氯化鈉當量，最長的浸泡時間是20 min，20 min內不能達到此清潔水平的樣品應當去除。

（4）焊接樣品的測試位置，接線時應用無污染的薄膜覆蓋測試區域，以防止接線過程中助焊劑濺入，接線完成后用75%異丙醇加25%蒸餾水的混合溶液對焊點進行清潔處理。

（5）將焊接好的樣品放置在溫度為（23±2）℃，相對濕度（50±5）%RH，無偏壓的條件下放置30 min以上。

（6）將樣品放置在溫度為（65±2）℃或（85±2）℃，相對濕度為的溫濕度試驗箱中96 h。（注意：每個測試板間的間隔至少為2.5 cm，在剛開始放置箱子中時，可以先運行升溫度程序，升到目標溫度后穩定一段時間再運行升濕度程序，此操作可以避免剛開始同時溫濕度上升產生冷凝，水分有可能滴落在測試區域表面，以防對測試產生影響）。

（7）加預設的恒定偏置電壓500 h，然后加測試電壓進行第一次的電阻測量，對于電阻值小于107Ω的測試板應該去除，不應出現在測試報告中，因為這是差的鍍通孔質量或層壓性能引起的。

（8）在恒定電壓施加500 h的過程中，每24～100 h施加測試電壓進行電阻監控。

（9）測試結束后應將樣品從環境試驗箱中取出，然后用10X放大鏡檢查表面是否有缺陷，如污染物、劃痕、裂痕，由于這些原因造成失效的值應該去除。

3.3 CAF測試模塊設計

CAF模塊設計主要以孔到孔，線到線較多，以下為比較典型的四種測試模塊（如圖4）。

圖4 CAF測試模塊圖形

3.4 測試失效時絕緣阻值的判定

對于絕緣阻值的判定，標準中有明確定義，但根據實際經驗及產品運用領域不同，客戶自定義標準的判定略有差異，可分為如下幾種：

（1） IPC標準失效判定是測試過程中在阻值大于107Ω的基礎上，降低1個數量級為失效，這是一個比較嚴格的規定；

（2） 測試結束后絕緣電阻值不能＜108Ω，否則視為失效；

（3） 整個測試過程中電阻值不能＜108Ω，但允許有3次及以下的阻值＜108Ω的記錄，否則判定為失效（如圖5）。

圖5 典型的CAF測試失效曲線（測試時間為500 h）

4 CAF的預防措施

離子遷移的發生會導致絕緣層性能下降或電氣短路故障，對于長年運行的汽車、火車、高鐵、飛機等，其內部的電子元器件如果發生微短路系統突然失控；輕則動力系統停止運行，影響正常交通出行，重則動力系統可能會發生燒毀、爆炸、墜落等致命的嚴重事故，影響人們的生命安全。如何預防CAF現象的發生，想必是每個PCB制造商考慮的問題，這里有幾個建議供參考：

（1）選擇細紗扁平玻纖布，高Tg板材作為PCB的基材，研究發現它們耐CAF性能較好；同時層壓參數波動或半固化片的半固化程度不完全時影響較大。

（2）嚴格控制PCB制造過程中各工序的相關參數，如：鉆孔旋轉速度、進出刀速度等，降低孔壁粗糙度；除膠渣工序中膨脹劑、強氧化劑如高錳酸鉀的操作溫度、處理時間、濃度比例等相關參數。

（3）PCB中孔的排列方式分經向、緯向、錯位排列，實踐證明錯位排列的孔之間耐CAF能力是最好的，所以應盡量優化孔的排列設計，使其錯位排列。

（4）內外層線路制作、防焊前處理表面清潔度與油墨固化程度控制勢必造成離子殘留導致CAF產生。

5 總結

隨電子產品高度集成化，對PCB要求越來越嚴，目前部分汽車板客戶把CAF測試電壓從100 V提到500 V，更有甚者要求1000 V；CAF就像是病毒一樣潛伏于PCB中，隨時可能使整塊PCB出現問題。為了防止CAF現象發生，作為PCB制造商需要從材料選擇、工藝優化以及測試分析等多個環節加以控制，確保產品的穩定性，提升電子產品整機安全性能。