百个为什么——PCB的阳极性玻璃纤维漏电是如何发生的(上)

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       随着电子产品的快速发展,电子设备更是朝着轻、薄、小的方向发展,使得印制电路板 CAF 问题成为影响产品可靠性的重要因素。通过介绍 CAF 发生原理,为厂商提供 CAF 效应分析和改善的依据。

 

一、CAF 定义

       CAF:英文 ConductiveAnodic Filament 的简写,即阳极性玻璃纤维漏电。

 

       当板面两股线路或板内两个金属通孔相距太近,一旦板材吸收水气较多时,相邻铜线或孔壁其高低电压的电极间会顺着板材的玻璃纤维的表面,而出现电化性迁移之绝缘劣化情形。此乃因玻璃布为求能良好的含浸有机树脂,均在玻璃布表做过耦合性“矽烷处理“之皮膜,一旦水气较多又恰好线底压触到玻璃布时,将因此种皮膜具有较大的极性并出现缝隙导致吸水,逐渐呈现轻微之漏电现象,特称为 CAF。

 

       常见 CAF 有孔壁与孔壁之间,孔壁到线路之间,线路到线路之间各种漏电情形,如下图 1 所示:

 

 

       自从无铅化与无卤板材的盛行后,树脂中加入多量的 SiO2 或 Al(OH)3,且玻璃纱束中也不易含浸黏度增大数量变小的树脂入内,甚至纱束与树脂的界面也出现空隙。同时孔距日益拉近绝缘厚度不断减薄,在后续使用中导致不断出现的 CAF,已成为非常痛苦的问题。其最令人寝食难安的是 PCB 与 PCBA 过程中根本发现不了,直到最后出了大问题时已经太晚了。

 

二、CAF 的形成原理:

 

 

       上图为日立化成所发布 CAF 的成因说明:当板材出现细微通道又存在水氯与电解质或 dicy 固化之极性较大树脂,再加上纱束两端铜基导体之电压不等时,将有可能在阳极处(较高电位)发生铜金属的氧化而出现 Cu+或 Cu+2,进而会沿着玻璃纤维的空隙,往阴极产生电化性迁移(Electro-Chemical Migration,ECM)。同时阴极端的电子也会往阳极移动,于是两者相逢后即出现铜金属还原,并在两端沿着纱束逐渐搭成了短路的漏电。

 

       由此可知:造成 CAF 失效的条件主要有:1.水氯、2.电解质、3.露铜、4.偏压、5.通道。当五种条件皆失效时则居高电位阳极的铜金属会先氧化成为 Cu+或 Cu+2 并沿着已形成的不良通道的玻璃纱束向阴极慢慢迁移,而阴极的电子也会往阳极移动,路途中的铜离子遇到电子时即会还原出铜金属,并逐渐从阳极往阴极长出铜膜,故又称为“铜迁移”。如下图

 

 

三、PCB 板 CAF 形成原因

       CAF 的出现直接会导致 PCB 产品的报废,从而引起巨大的损失。以下为不同情况下的 CAF 情况:

 

       1.两通孔间的防火墙太薄或板材含浸不良残留通道或钻孔粗糙引发通道时,在湿气中可能出现 CAF 而失效,烘干又可能回复正常。

 

 

       2.孔密集区域钻孔伤到板材加上 Desmearing 过度,则两导体间的受伤危材经多道湿制程后就有 ECM 式铜迁移之 CAF 与 Dendrite 的危险。

 

 

       下图为垂直链接图可放大移动细看各受伤危材的情势

 

 

       3.钻孔粗糙加上过度除胶渣(Desmearing)将导致玻璃纤维中超量渗铜(Wicking),对于较薄的防火墙处出现 CAF 的几率增大。

 

 

       4.玻璃布难免会存在断丝的纱束,此种通道也将成为 CAF 的隐患

 

 

       5.当 PCB 板越厚又加上厚铜,则回流焊强热后很容易发生板外所见不到的各种内部微裂,这些都将成为 CAF 的病灶。无卤板材脆性较大,下图为 TG150 的 HF 板材通过 400 次温度循环试验所呈现的微裂情况:

 

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