CAF覆铜板玻纤纱漏电的原因及测试.docx

覆铜板玻纤纱漏电之探讨 2008-11-28 14:45:55资料来源:PCBcity作者: 白蓉生 一、无风不起浪，事出必有因传统钻孔镀孔后其相邻通孔铜壁之间，必定会出现玻纤纱束彼此之搭连(Hole to Hole；H/H)，甚至当相邻两导线之根部恰巧踩在同一束玻纤纱上(Trace to Trace；T/T)，或导线之根部与孔壁之间经过玻纤纱的接(T/H)，又或者层与层之间(L/L)经由玻纤纱沟通等潜在病灶。当使用环境堪称良好时，其两点之间尚能维持足够之绝缘(即绝缘电阻要够高)，而不致影响到传输线中工作能量的漏失。然而一旦出现高温高湿之恶劣环境，而板材品质又不是很好，且两点间之电压又出现差异(偏压Bias)之影响下，时间一久难免就会发病，而且在腐蚀后会出现铜离子，当其沿着玻纤束发生缓慢的迁移动作，进而出现轻微之漏电行为者，特称为CAF(Conductive Anodic Filament)，如Isola所绘制的下三图。图1此为台湾Isola公司所提供CAF Growth(红色部份) 的示意图与原文之内容说明，对CAF发生经过之了解颇有助益。不过目前台湾覆铜板业者所进行之CAF试验皆为日式规格，并非美式之高阶规格者，且IPC亦尚未具备整体之试验方法。由于讯号传输的速度不断加快，及为减少发热起见，电子产品所设定的工作电压已不断降低(由30年前的12V，到20年前的5V，到今日的1.5V，甚至数年后之1V以下)，通常PCB之导体或板材难免都会存在少许瑕疵，也难免会带来轻微杂讯(Noise)，然而此等芝麻绿豆的小事，当年根本未放在眼里。时至高速传输的今日，小小微恙却在高阶板类中几乎成了心腹大患，必尽除之而后已！是故大哥大的基地台、发射总台、电脑网路的路由器( Router)、大型电脑的枢纽机站等，其高层数厚大背板(High Layer count)之板材，必须避免或减少CAF发生的机率，而令大型机组长期(如20年)使用中的可靠度(Reliability) 方得以确保。其重要性与个人电子产品之悬殊对比，自不可以道理计。这也就是欧美大规模系统公司，对其昂贵大型机组中的High Layer count 板类，不得不特别重视其板材CAF问题之原因。然而事事挑剔不已，件件要求尽善尽美的日本业者，即使对个人电子产品，如笔记本电脑(NB)、电脑游戏机(如PS2)，甚至DVD的四层板也都不放过，要求板材在CAF上也必须及格，从实用观点而言此举未免失之过严。至于与安全有关的车用板类，尤以引擎盖下(Underhood)高温高湿与震动之不良环境者，其对CAF之要求自必无可厚非。事实上日本客户虽然讲究板材之CAF问题，但其允收尺度与厚大板之欧美规格相比较时，则又不免低标过关而差距甚远，啼笑皆非之余，也只好默认“客户永远是对的！”所谓电化学性迁移现象，按IPC-9201之SIR Handbook (表面绝缘电阻手册)的说法，是当完成电路板或组装板，长久高温高湿之恶劣环境中，且其相邻导体间会出现偏压(Bias)的情况下，会逐渐发生金属离子性物体的迁移，并在板面上出现树枝盐类生长的痕迹者 (Dendrites)，称为ECM。二、定义说明与发生过程2.1 电化迁移ECM( Electro-Chemical Migration)所谓电化学性迁移现象，按IPC-9201之SIR Handbook (表面绝缘电阻手册)的说法，是当完成电路板或组装板，长久高温高湿之恶劣环境中，且其相邻导体间会出现偏压(Bias)的情况下，会逐渐发生金属离子性物体的迁移，并在板面上出现树枝盐类生长的痕迹者 (Dendrites)，称为ECM。图2 此为板发生ECM后所出现Dendrites的两个示意图，系取材自英商Concoat环境试验公司之简报资料。此种板面Dendrites生长的过程，是先在阳极处产生金属阳离子(Cation)后，随即将会往阴极方向缓缓迁移，到达阴极即开始生长出盐类的沉积物，但又反向往阳极方面不断蔓延伸展，目视情况下其树枝之生长过程清晰可见。2.2 玻纤纱束漏电物之增长CAF Growth原理上与ECM 相同，其不同处有二：（1）ECM是发生在板面上，其树枝状可目视观察得到。CAF则只发生在玻纤束中，通常很难察觉到真相，微切片是比较可行的方法。（2）ECM 的板面树枝沉积物，是由阴极反向朝阳极方向生长蔓延，但CAF中的铜盐沉积物，却是由阳极往阴极延伸。CAF Growth 发生的主因是树脂与玻纤之间的附著力不足，或含浸时亲胶性不良，两者之间一旦出现间隙(Gap)后，又在偏压驱动之助虐下，使得铜盐获得可移动的路径，于是CAF 就进一步形成了。CAF Growth 的发生可分为两阶段；Stage l 是高温高湿的影响下，使得树脂与玻纤之间的附著力出现劣化，并促成玻纤表面矽烷处理层 (Silant Treatment)产生水解，进而形成了对铜金属腐蚀的环境。此Stage 1属可逆反应，(Reversible Reaction) 尚可挽回的阶段，在烘烤方式下仍有机会可使之复原。 Stage 2 则已出现了铜腐蚀的水解反应，并形成了铜盐沉积产物，已到达不可逆(Irrevesible)回天乏术的地步矣！其反应式如下：图3 此为英商Concoat 公司所摄得板面导体间Dendrites之实务放大图，左为结晶状之铜 盐；右为针状盐类构成之树枝痕迹。2.3 电性迁移EMR (Electro-Migration)系指干燥情况之高温下(10%RH)，不良基材中所发生迁移漏电之行为，通常出现在半导体产品中，与 PCB 之 ECM 或 CAF 无关。三、现行ECM与CAF Growth 的测试方法目前各种对 ECM 或 CAF 的试验法都不太理想，一则是过份耗时，二则是试验结果不易再现。至于日式各种套装模组式做法，其等之精确度则似嫌不足，现说明如下：3.1IPC对ECM的做法系IPC-TM-650手册中之2.6.14法，所用之测试工具为IPC-B-25样板，可用于绿漆之耐ECM试验。此外2.6.14.1法系采IPC-B-25A之另一样板，系可供液态助焊剂、焊锡丝、锡膏等 ECM 试验用途。各样板须先测取其原有之绝缘电阻值(IR)，以便与试验后之数据进行对比。样板与试验机组(Tester)之间，须串联上一个数值高达1 Mohm 的标准电阻器模组(此物不但极贵，而且很难买到)，如此才可进行长时间温湿箱内偏压下之“放置试验”，亦即业者俗称之后 on-line试验。上述各样板先经四天稳定后，再于三种不同环境中连续在100VDC的偏压下，进行7天(168hrs)或21天(500hrs)的定时读取数据之静置试验，全程完毕后再测试其绝缘电阻值(IR)，了解是否有劣化降低的情形，并进行目视外观检查。其三种环境分别为：(1) 40 + 20C，91 - 93%RH(2) 65 + 20C，85 - 92%RH(3) 85 + 20C，85 - 92%RH事实上，这种ECM试验与CAF Growth的关系不大。3.2 Telcoredia (原Bellcore公司)此甚具公信力的试验法出自Telcoredia之GR-78-CORE手册，可针对各种基材板进行CAF Growth 试验，知名的Sun Microsystem公司即采行之。所用样板须先在65+20C/85%RH的环境中稳定四天，再于5VDC或100VCD先行测得试验前的IR，然后静置于温湿箱中进行21天之漫长试验(做法同3.1)。完成试验后，只要发现事后绝缘电阻值(IR)的数据，比原先所测得下降了一个方次(Order, 即10倍)时，即判定该样板已经Failure(不及格)。此公认之品质要求是源自Bellcore TR-NWT-000078 Issue3 (1991)之6.2.1.1.2节。图4 此为美商Telcodia对 High Layer count厚大板类之CAF试验线路图3.3 上述各样板之模拟(Modelling)试验，不一定就能准确地再现出CAF Growth来，其困难之原因可能有：（1）所用之样板尚无法全然反映与记录PCB各种流程严格考验之效果(如钻孔、除胶渣或热循环等)。（2）温湿箱(Humidity Chamber)的品质很重要(据美商Microtek Lab之经验，共有七种要项)，业界所用者不一定够标准。（3）所用串联1 Mohm的精密电阻仪，及所搭配的开关与电缆等，不但精确度极高价格昂贵，而且还很不容易买到合格品，且串联样板的焊接工作也要非常小心。（4）一旦发生ECM或CAF时，其路径中常会出现10-1210-9amp的微小电流，任何不稳定状况(如附近存在其它电器品)将会使得漏电的Path被烧断(Poof)，对试验本身而言根本就不知道发生过CAF Growth。且其所外加之百万欧姆的电阻仪是否恰当，但仍有讨论空间。（5）样板本身是否正确，试验条件是否接近CAF Growth的环境亦待商确。目前IPC-9201 SIR Handbook正拟修订，而英国“国家物理实验室”(NPL成员在5000人以上)也积极参与CAF的研究，希望能找出更有力的检测方法。3.4 日商客户的做法日商客户在台湾购买PCB时要求Anti-CAF Growth者甚多，如Sony、Toshiba、CMK、Dasiho微电路等，而出口到日本的的覆铜板中，也有不少被要求此项品质。一般日商要求台湾业者亦须备有与其同型的测试机(即温湿箱加装偏压与电阻测试仪之设备，及精密控制器，以及所配用的软件等并不便宜)，通常整组购价约在150-250万台币左右。 由于其箱内之“放置”试验非常耗时，故利用率太少之下其试验成本自然很贵。一般PCB业者只好要求覆铜板厂商提供Anti-CAF的保证书，以面对日本客户。图5 此二图为台湾覆铜板商所使用与日本业者同型的on-line式温湿箱偏压试验机与电脑控制部分，可对CAF Growth进行长时间之on-line 监视与定时之IR试验。笔者为了实务起见，特走访三家覆铜板厂，深入了解业者现场做法。此种日式做法可为两种，即：（1）On Line 法-系将考试样板(每家不同，且均保密)放置在温湿箱内，并以特殊引线对样板与测试机进行互连。长时间的高温高湿放置试验中，可定时 (每10分钟，每小时或每8小时)自动测取其绝缘电阻值(IR)。一旦记录中出现IR直线下降而低于允收标准者，即表示可能有CAF的发生。此等机组均可自动记录其曲线之变化，日本客户多半要求此种方式之CAF试验。通常试验前之IR值约在1X1010-12ohm以下之间，试验中只要在规定时间内(500小时或1000小时)降到1X106 ohm 以下者，即认定是不及格。图6 此为针对CAF之某on-line连续试验，所得到绝缘电阻值(IR)直线下降的纪录图，低于1.0E+6（即10的6次方）即不及格。（2）Off Line法-系将考试板定时取出，另以精密电阻计量测其绝缘电阻，及手动描绘其曲线变化。所采用及格标准也是各家不同，如1X108 ohm与5X108 ohm等四、电路板CAF Growth 发生的原因由上可知，当树脂与玻纤之间的附著力(Adhesion Force)不足；或胶片进行含浸时其亲胶性(wettability)不良，或玻纤纱未能沾胶满实(Wet out)而尚有余隙地， 不幸就酿成了CAF Growth的有利条件。其细部原因约有：A：基材板原料与制程之不良： 4.1 玻纤束之表面矽烷处理(Silance Treatment)层有问题；如耦合性(Coupling)不佳，无法协助树脂与玻璃克服其CTE的差异问题。或亲胶性不良，甚至矽烷层本身容易水解等缺失。然而此等Coupling Agant(目前商品在15种以上)之有关资料很难找到，上游业者不但十分保守更极其保密。4.2 树脂本身纯度不良；如杂质太多而招致附著力不佳，或吸水率较高，或介面间出现杂质或外来夹杂物等。4.3 树脂之硬化剂不良；如Dicy之容易吸水。其简单的分子式中，竟出现了4个胺(Amine)基，极性太高以致绝缘性不良。4.4 铜箔棱线起伏太大时，使直接踩压在同一玻纤束的机会增加，形成线与线间CAF之病灶。4.5 胶片含浸中行进速度太快；常使得玻纤束中应有的胶量尚未全数充实填饱，造成气泡残存。此缺点的检查方法是在胶片上用清水润湿并用放大镜观察，即可比较纱束中白点反光之气泡，良好者其透明体必多反光点必少。4.6 薄基板或多层板之压合不良，常使玻纤束中之气泡难以全数赶光。B电路板制程不良4.7 PCB制程之钻孔太过粗糙，造成玻纤束被拉松或分离而出现Gap。4.8 PCB制程之PTH中的Desmearing过度，或化学铜浸入玻纤束发生灯芯效应(Wicking)等。图7 此为Polyclad公司于2002 IPC Show论文集中所发表的CAF Growth试验之各种样板线路示意图。4.9 PCBA后制程或后续使用环境之多次高低温度变化(Thermal Cycling)中，由于CTE 之差异与板材之持续劣化(Degradation)所致。五、Anti-CAF Growth的途径由前可知CAF Growth形成的主要原因是板材吸水，玻纤与树脂介面附著力较弱，以及PCB制程不良等，故其改善之途径也就针对这三大方向而采取的行动，现分述于下：1 减少吸水性最有效的方法就是将FR-4原有的硬化剂Dicy (Dicyanidiomide)换成Phenal Navalac，如此可使 FR-4 板材的吸水率由 0.4% 左右降到 0.2% 附近。使用压力锅试验（PCT）法一试其前后