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FR-4的离子迁移性之研究CAF


FR-4 的離子遷移性之研究
定義:CAF(conduction anodic filament):陽極導電細絲,又叫離子遷移,形狀多爲樹枝狀 CAF 的形成是一種典型的電化學遷移。是在導體線路間施加電壓時,經絕緣體表面,介面及內部導體金 屬溶解、離子化、移動和析出的現象。在標準的 FR-4 的板料中,PCB 中的電化學遷移的産生已經被定義 CAF 漏電通道。他是沿著 PCB 中樹脂和其中的增強劑玻璃纖維的介面而進行的。 CAF 的形成原因分析: CAF 一般出現在鍍通孔之間,鍍通孔到其他絕緣層的導線之間,導線到導線之間等。有時一些機械應力 (如鑽孔中産生、熱迴圈中兩種材料的 CTE(熱膨脹係數)不匹配産生)所引起的爆板、分層也會在玻纖和樹 脂之間的介面上形成 CAF 通道。但通常最易出現的是孔和孔之間。 CAF 的産生分兩階段: 1、初始階段:耦合劑矽烷的水解,固在産生的第一階段,足夠的濕氣和水分是必不可少的, 2、成長階段,在次階段,導體間的偏轉電壓是不可缺少的。 早期的研究表明:由於濕氣,樹脂和玻纖之間産生分離,如果玻纖處理不好的話(樹脂在玻纖中的浸潤 不良或玻纖的耦合處理不良),這種情況將會很快産生,如果處理的好的話,矽烷的水解將會很慢,如有輕 度水解,通過烘板,也會復原。 最近有很多針對各種板材抗 CAF 性的試驗發現:有些樹脂體系的抗 CAF 能力非常差。在這些有玻纖增強 的樹脂體系中,如果玻纖是散開型(Chopped glass)的,相比於布狀玻纖,則 CAF 出現的幾率大大減少。 在板料中,隨著溫度的升高,吸濕率增加,從而導致 CAF 出現之幾率也加大,對於普通的 FR-4 板料而言, 玻纖、樹脂的純度、兩者之間耦合的程度、樹脂的流動度、吸濕率對 CAF 的産生都有很大的影響,同時,在 常規的冷熱迴圈中(20℃-200℃),由於兩者的 CTE 值的不匹配産生的內應力會促進兩者的老化,降低兩者 間結合力,也進一步促使 CAF 的産生。下表爲幾種常見的板材的抗 CAF 性能: 樹脂類型 BT 聚醯胺樹脂 聚脂樹脂 增強莖類型 布織玻纖 布織玻纖 布織玻纖 散開型玻纖 環氧樹脂,撓性板 無玻纖 布織玻纖 環氧樹脂,剛性板 布織玻纖 等級 Excellent Excellent Low Good Good Good poor

CAF 試驗的測試圖形、設備和方法:

目前對 CAF 研究比較多的是日本,對於抗測試板的測試條件也沒有很統一的標準,JPCA-ET04:2001[印 製線路板環境試驗方法—溫濕度恒定試驗(85℃85%RH)](社)日本印製電路工業會中推薦爲 85℃85%RH 偏電壓爲 100DVC,但很多家公司也有自己的測試條件和驗收標準。如日本的三菱,東芝,松下等公司都 有自己的測試樣板、條件和標準。在目前,大多的測試板都是四層板,並不能很好的代表目前所生産的薄介 質的多層板。至於爲何要用以上的條件、接受的絕緣電阻和時間?這個標準是怎樣被介定的?目前在整個的 行業都還沒有詳細的說明。 抗 CAF 的測試圖形主要有以下幾種:

1、測線到線的: 測試圖形按圖的梳型圖形,或者製品中使用相同的圖形基板。 也可根據 IPC-SM-840 規定的梳形形狀(IPC 多功能測試板)設計. 圖 1:線到線

2、到孔邊的: 右邊爲兩種測試圖形,上圖爲孔順著玻纖的經緯向方向排列,下圖爲錯 開排列,第一種用得更爲廣泛。孔壁間距可從幾 MIL 到幾十不等,隨試驗設 計者需要而定。

圖 2、孔到孔 CAF 試驗測試方法和設備 CAF 試驗的測試裝置有以下四種: 1、電壓降法測量:設備簡單。但測量的範圍比較小。 其方法是將檢測電流的電阻竄聯在試驗電路中,用高靈敏度的電壓表測量其電壓,通過換算出印製電路 板的電阻值。不用中斷試驗,就能測量線路間的電阻,其特長是能連續監測電流,但是要注意容易受到誘導 噪音對測量電路的影響。因此電阻值超過 1010Ω 時測量就困難,它是測量 107~8Ω 的範圍和判斷絕緣劣化 狀況的簡便方法。 2、緣電阻法測量:比較常用的一種方法,一般可以測到 1013Ω 範圍 3、重遮罩電線的使用方法

4、動測量系統 自動測量記錄系統含有絕緣電阻測量資料的記錄和監視,測量系統是令人滿意的。 注:在測試線路中,需設計一個兆歐級(10E+6)的短路電阻。用來自動檢查出孔間或線間絕緣電阻值 小於 10E+6>的測試板。這個短路電阻的阻值如果太小,則一旦因 CAF 而短路,産生的熱量對周圍的樹脂的破 壞則將特別的大。 電阻的測試方法: 可在箱內直接測量,也可以拿出來測量。如是自動測量記錄系統則可節約很多的時間和人工。 評價基準:動態測量在 106Ω 以下、在室外的靜態測量 107Ω 以下記錄爲不良時間:一般爲 500-1000HR, (由産品的最低使用年爲依據,)。如 25 年以上的,一般要求 1000HR,國外也有一些公司爲了縮短測試時 間,節約成本,通過增加一個保險的 spacings 係數或加大偏轉電壓來縮短時間,但後者並不可取,因爲太 大的電壓和實際的使用情況偏差會進一步加大,從而導致試驗資料不準確。同時太大的偏轉電壓會使表面絕 緣電阻下將。

圖 3 :100DVC 和 10DVC 偏轉電壓 影響抗 CAF 性的因素:

圖>:HI-TG 對普通 TG(測試孔爲順排)

CALCE(UNIV,MD)針對 CAF>做過大量的一系列的試驗: 上圖 3 爲對普通的 FR-4 板材,用 100VDC 和 10VDC 的偏轉電壓測試,紅色線爲 100VDC 的偏轉電壓下 CAF 出現的比率,青色爲 10VDC 偏轉電壓下 CAF 出現的比列。 圖四爲針對高 TG 和普通 TG 的兩種板材測試其抗 CAF 性,測試鍍通孔的排列方式是順著玻纖經緯向的排 列的。由右圖可看出;當孔間 SPACINGS 在 A2(10.8MIL)處時高 TG 板料的 CAF 出現之幾率比普通 TG 的板料 要高很多。然而,當 SPACINGS 達到 A3(15MIL)時,兩者基本接近。 PCB 設計者也應注意:在使用高 TG 的板料時,應適當的加大 SPACING,防止 CAF 出現。 圖 5 同樣爲高 TG 板料對普通 TG 板料的抗 CAF 試驗,但測試孔的排列爲錯開型的(見上圖 2),對錯開

型而言,在 B1 處(SPACINGS 爲 10.4MIL) ,高 TG 的板料個更易出現 CAF,圖 4 和圖 5 相比,當孔間相互錯開, 其 CAF 性能比之順著玻纖經緯向排列遠遠要好。

圖 5:HI-TG 對普通 TG (測試孔爲錯開排列)

圖 6:表面 OSP 處理和 HASL 處理 (測試孔爲順玻纖方向排列)>

圖 6 爲針對測試板有機保護膜處理和噴錫處理兩種情況測試其抗 CAF 性(普通 FR-4 板料),由右圖可 知,經過有機保護處理的 PCB 比噴錫處理的板子抗 CAF 性能遠遠要好。由此可知,成品的表面處理方式對其 抗 CAF 性有很大的影響。 近期,很多的敷銅板生産廠家開發了專抗的板料,如日立公司的 MCL-E-67 等。 結論:就目前所知,CAF 不但和板材本身的抗 CAF 性有很大的關係,如玻璃纖維的類型,樹脂體系,介 質層的厚度等,還和 PCB 生産廠有很大的關係,如鑽孔參數(孔壁粗糙度,孔徑大小,),是用高錳酸甲還 是 PLASMA>做 DESMEAR ?DEAMEAR 中有無進行玻纖蝕刻等?表面處理是用噴錫還是有機保護膜?有關 CAF 方 面,還待更多的覆銅板廠家和 PCB 生産廠家去進一步試驗,探討


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