印制电路板导电阳极灯丝失效分析

何莹 陈庆国 黄启宝

（1.安徽国家铜铅锌及制品质量监督检验中心；安徽 铜陵 244000；2.国家印制电路板质量检验检测中心，安徽 铜陵 244000）

0 引言

随着5G 通信产业的蓬勃发展，需要寻找更合适的高频元器件，满足因5G 技术产生的设计要求，这对印制电路板（printed circuit board，PCB）是一个巨大的新挑战。在此形势下，各大元器件制造企业都在积极研发适合当前使用环境的新产品。5G 对PCB 设计的要求主要表现为：板材的选型要符合高频、高速的要求；阻抗匹配性、层叠的规划、布线间距/孔等要满足信号完整性要求；高层数和高密度要满足可靠性的要求。其中，导电阳极丝（conductive anodic filament，CAF）失效是PCB 关注的重点。本文通过实际案例，用高频高速材料的CAF 标准测试版分析CAF 失效的现象，旨在帮助PCB 制造企业及其供应商改善生产工艺。

1 CAF失效状态

CAF 在高温高湿的条件下，环氧树脂与玻纤之间的附着力出现劣化，玻纤表面的硅烷偶联剂水解，在玻纤中产生离子迁移通道。如果此时在两个绝缘孔之间存在电势差，则电势较高的阳极上的铜会被氧化为铜离子，铜离子在电场作用下向电势较低的阴极迁移，在迁移过程中，与板材中的杂质离子或OH-结合，生成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，造成CAF 失效。失效一般发生在孔与孔之间、孔与导线之间、导线与导线之间及层与层之间。

2 CAF失效案例

2.1 案例介绍

以某批次的CAF 标准测试板为例，介绍孔与线、孔与孔之间这两种失效模式。共16 块测试版，其中孔到线测试板、孔到孔测试板各为 8块。测试图形如图1所示。

图1 CAF测试板图形

试验条件为：无铅回流5 次后，在85 ℃和85% RH 的试验箱中静置96 h，50 V 偏压、100 V测试电压，测试500 h，记录初始绝缘电阻值、静置96 h后绝缘电阻值和加电测试过程中的电阻值。CAF 测试结束后，对绝缘阻值小于108 Ω 的通道进行CAF失效分析，找出失效原因。

2.2 定位失效区域

失效图形的线路结构中，正负极分别连接的孔或线路，采取逐步划分法将图形划分为两个独立的正负极通道，用高精度数字万用表测量正负极之间的绝缘电阻值。阻值较小的回路为失效点所在的区域，在此区域上再进行划分，挑出阻值较小的一侧。重复此操作，直至定位出失效的某个孔与电源层之间的失效区域，或两个相邻孔之间的失效区域，如图2所示。

图2 CAF失效区域定位

CAF 测试结束后，失效通道在室温环境下恢复正常阻值（≥108Ω），此时很难进行失效定位。因此，通常会将试样在85 ℃和85 % RH 的高温高湿环境下，加偏压处理一段时间，定期监测绝缘电阻值，并根据电阻值调整所加的偏压大小，使CAF阻值降低，再进行失效区域定位。

2.3 外观检查

找到失效区域后，对图形表面进行外观检查，如正负极之间是否有枝晶或迁移物产生，以及油墨有无破损等，并使用能谱（energy dispersive spectroscopy，EDS）对其迁移物成分进行确认。为对表层做进一步观察，可将表面油墨去除，检查表层铜环之间是否发生迁移。如有迁移物，用扫描电子显微镜（scanning electronic microscopy，SEM）和EDS 对迁移物进行观察和定性。外观检查时，要注意是否有外在因素的影响，如板面不洁净（助焊剂、油污、盐等）、水渍和外来物质导致的正负极桥接等。在进行破坏性试验之前，需要注意前期的信息收集。

2.4 切片分析

在上述外观检查中，如未在表面发现迁移物和脏污，可基本判定失效发生在基材内部。对失效区域做水平切片，逐层研磨，直至发现迁移物质，如图3 所示。在该案例中，迁移物的痕迹比较明显，降低了研磨难度。一般在研磨过程中需要注意砂纸目数、转盘速率、研磨的力度及观察频次等，并根据实际情况做出相应调整。

图3 CAF失效区域水平切片发现迁移物

发现迁移物后，在图3 的虚线位置处垂直切片，发现孔与内层铜、孔与孔之间的迁移物均发生在压合界面，如图4 所示。通过切片结果收集失效发生的具体层和位置（玻纤中、树脂中或结合面），并由数据综合分析其失效原因。在该案例中，迁移物均出现在压合界面。

图4 CAF失效区域垂直切片发现迁移物

2.5 SEM和EDS分析

发现迁移物后，对迁移物进行SEM 和EDS 分析，确定迁移物的大致成分，并与正常区域做对照试验。孔到层的结果如图5 所示，孔到线的结果如图6 所示。根据EDS 结果，发现压合界面有大量铜元素。

图5 SEM形貌及EDS成分分析结果（孔到层）

图6 SEM形貌及EDS成分分析结果（孔到孔）

3 结语

本试验所用的是同一批次共16 块CAF 标准测试板。CAF 测试结束后，孔到孔失效图形的绝缘阻值下降到≤105Ω，孔到孔失效图形的绝缘阻值下降到≤106Ω；室温恢复后，孔到线的阻值仍＜106Ω，可以直接进行失效区域定位，而孔到线的阻值在室温下已恢复至1 010 Ω。根据实际情况，对试样进行了高温高湿加偏压的处理，使绝缘电阻值降低至108Ω 以下，以方便后续定位失效区域。

对失效图形进行定位，在此区域上做金相切片，逐层水平研磨至发现迁移痕迹，观察形貌，得到一些基本信息。判断在哪个方向作垂直切片有利于分析失效原因，在此方向做垂直切片，垂直切片可具体确定失效发生在基材的哪个部分。在暴露出的迁移物处进行SEM 和EDS 分析，确定迁移物的成分。

在此案例中，根据切片分析的结果，发现在压合界面存在迁移物，并通过SEM 和EDS 成分分析，确定了迁移物为铜，使得绝缘的正负极之间的电气间距下降，导致了CAF失效。

综上所述，分析此次CAF失效的原因如下：

（1）生产工艺方面。在PCB 多层板的制作工艺中，内层图形需要通过曝光显影蚀刻来实现，蚀刻不净，会导致残铜产生；残铜在后续压合时，存在于压合界面，使绝缘的正负极之间的电气间距下降，导致CAF失效。

（2）材料方面。基材上表面粘结有一个水分子氢键的单分子层，压合界面在高温高湿下吸湿了更多的水分形成了多分子层，铜离子在电场作用下向阴极迁移。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，导致CAF失效。