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(wěn)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(huán)境變化有較強關聯(lián)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)象（如圖1）。

圖1 典型的導電陽極絲

對于發(fā)生CAF現(xiàn)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(xiàn)象

2 CAF產生的原因

CAF的產生是一個持續(xù)過程，特別是在高溫高濕的環(huán)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(fā)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(xiàn)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(lián)劑在長時間的高溫高濕條件下會發(fā)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(shù)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(huán)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(qū)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(yè)內常規(guī)使用或者參考的CAF測試方法的標準是IPC-TM650 2.6.25節(jié)，其中對CAF測試方法做了非常嚴謹?shù)囊?guī)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(huán)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(tǒng)

（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(lián)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(lián)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(huán)境試驗箱和絕緣電阻測試系統(tǒng)

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(qū)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(wěn)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(qū)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(xiàn)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(jiān)控。

（9）測試結束后應將樣品從環(huán)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(jù)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(shù)量級為失效，這是一個比較嚴格的規(guī)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(fā)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(fā)生微短路系統(tǒng)突然失控；輕則動力系統(tǒng)停止運行，影響正常交通出行，重則動力系統(tǒng)可能會發(fā)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(xiàn)象的發(fā)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(fā)現(xiàn)它們耐CAF性能較好；同時層壓參數(shù)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(shù)，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(shù)。

（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(yōu)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(xiàn)問題。為了防止CAF現(xiàn)象發(fā)生，作為PCB制造商需要從材料選擇、工藝優(yōu)化以及測試分析等多個環(huán)節(jié)加以控制，確保產品的穩(wěn)定性，提升電子產品整機安全性能。