FR4的离子迁移性之研究

1、FR-4的离子迁移性之研究 谢凡荣定义：CAF（conduction anodic filament）:阳极导电细丝，又叫离子迁移，形状多为树枝状CAF的形成是一种典型的电化学迁移。是在导体线路间施加电压时，经绝缘体表面，界面及内部导体金属溶解、离子化、移动和析出的现象。在标准的FR-4的板料中，PCB中的电化学迁移的产生已经被定义CAF漏电通道。他是沿着PCB中树脂和其中的增强剂玻璃纤维的界面而进行的。CAF的形成原因分析：CAF一般出现在镀通孔之间，镀通孔到其他绝缘层的导线之间，导线到导线之间等。有时一些机械应力（如钻孔中产生、热循环中两种材料的CTE(热膨胀系数)不匹配产生）所引起的爆板

2、、分层也会在玻纤和树脂之间的界面上形成CAF通道。但通常最易出现的是孔和孔之间。CAF的产生分两阶段：1、初始阶段：耦合剂硅烷的水解，固在产生的第一阶段，足够的湿气和水分是必不可少的，2、成长阶段，在次阶段，导体间的偏转电压是不可缺少的。早期的研究表明：由于湿气，树脂和玻纤之间产生分离，如果玻纤处理不好的话（树脂在玻纤中的浸润不良或玻纤的耦合处理不良），这种情况将会很快产生，如果处理的好的话，硅烷的水解将会很慢，如有轻度水解，通过烘板，也会复原。最近有很多针对各种板材抗CAF性的试验发现：有些树脂体系的抗CAF能力非常差。在这些有玻纤增强的树脂体系中，如果玻纤是散开型（Chopped glas

3、s）的，相比于布状玻纤，则CAF出现的几率大大减少。在板料中，随着温度的升高，吸湿率增加，从而导致CAF出现之几率也加大，对于普通的FR-4板料而言，玻纤、树脂的纯度、两者之间耦合的程度、树脂的流动度、吸湿率对CAF的产生都有很大的影响，同时，在常规的冷热循环中（20-200），由于两者的CTE值的不匹配产生的内应力会促进两者的老化，降低两者间结合力，也进一步促使CAF的产生。下表为几种常见的板材的抗CAF性能：树脂类型增强茎类型等级BT布织玻纤Excellent聚醯胺树脂布织玻纤Excellent聚脂树脂布织玻纤Low  散开型玻纤Good环氧树脂，挠性板无玻纤Good 

4、 布织玻纤Good环氧树脂，刚性板布织玻纤poorCAF试验的测试图形、设备和方法：目前对CAF研究比较多的是日本，对于抗测试板的测试条件也没有很统一的标准，JPCA-ET04：2001印制线路板环境试验方法温湿度恒定试验（8585%RH）（社）日本印制电路工业会中推荐为8585%RH偏电压为100DVC，但很多家公司也有自己的测试条件和验收标准。如日本的三菱，东芝，松下等公司都有自己的测试样板、条件和标准。在目前，大多的测试板都是四层板，并不能很好的代表目前所生产的薄介质的多层板。至于为何要用以上的条件、接受的绝缘电阻和时间？这个标准是怎样被介定的？目前在整个的行业都还没有详细的说明。抗CA

5、F的测试图形主要有以下几种：1、测线到线的:测试图形按图的梳型图形，或者制品中使用相同的图形基板。也可根据IPC-SM-840规定的梳形形状（IPC多功能测试板）设计.图1：线到线   2、到孔边的：右边为两种测试图形，上图为孔顺着玻纤的经纬向方向排列，下图为错开排列，第一种用得更为广泛。孔壁间距可从几MIL到几十不等，随试验设计者需要而定。   图2、孔到孔 CAF试验测试方法和设备CAF试验的测试装置有以下四种: 1、电压降法测量：设备简单。但测量的范围比较小。其方法是将检测电流的电阻窜联在试验电路中，用高灵敏度的电压表测量其电压，通过换算出印制电路板的电阻值。不用中断

6、试验，就能测量线路间的电阻，其特长是能连续监测电流，但是要注意容易受到诱导噪音对测量电路的影响。因此电阻值超过1010时测量就困难，它是测量1078的范围和判断绝缘劣化状况的简便方法。 2、缘电阻法测量：比较常用的一种方法，一般可以测到1013范围3、重屏蔽电线的使用方法4、动测量系统自动测量记录系统含有绝缘电阻测量数据的记录和监视，测量系统是令人满意的。注：在测试线路中，需设计一个兆欧级（10E+6）的短路电阻。用来自动检查出孔间或线间绝缘电阻值小于10E+6>的测试板。这个短路电阻的阻值如果太小，则一旦因CAF而短路，产生的热量对周围的树脂的破坏则将特别的大。电阻的测试方法：可在箱内

7、直接测量，也可以拿出来测量。如是自动测量记录系统则可节约很多的时间和人工。评价基准：动态测量在106以下、在室外的静态测量107以下记录为不良时间：一般为500-1000HR，（由产品的最低使用年为依据，）。如25年以上的，一般要求1000HR，国外也有一些公司为了缩短测试时间，节约成本，通过增加一个保险的spacings系数或加大偏转电压来缩短时间，但后者并不可取，因为太大的电压和实际的使用情况偏差会进一步加大，从而导致试验数据不准确。同时太大的偏转电压会使表面绝缘电阻下将。图3 ：100DVC和10DVC偏转电压图>：HI-TG 对普通TG（测试孔为顺排）影响抗CAF性的因素：CAL

8、CE（UNIV，MD）针对CAF>做过大量的一系列的试验：上图3为对普通的FR-4板材，用100VDC和10VDC的偏转电压测试，红色线为100VDC的偏转电压下CAF出现的比率，青色为10VDC偏转电压下CAF出现的比列。图四为针对高TG和普通TG的两种板材测试其抗CAF性，测试镀通孔的排列方式是顺着玻纤经纬向的排列的。由右图可看出；当孔间SPACINGS在A2（10.8MIL）处时高TG板料的CAF出现之几率比普通TG的板料要高很多。然而，当SPACINGS达到A3（15MIL）时，两者基本接近。 PCB设计者也应注意：在使用高TG的板料时，应适当的加大SPACING，防止CAF出现

9、。图5同样为高TG板料对普通TG板料的抗CAF试验，但测试孔的排列为错开型的（见上图2），对错开型而言，在B1处(SPACINGS为10.4MIL），高TG的板料个更易出现CAF，图4和图5相比，当孔间相互错开，其CAF性能比之顺着玻纤经纬向排列远远要好。图5：HI-TG对普通TG（测试孔为错开排列）图6：表面OSP处理和HASL处理(测试孔为顺玻纤方向排列）>图6为针对测试板有机保护膜处理和喷锡处理两种情况测试其抗CAF性（普通FR-4板料），由右图可知，经过有机保护处理的PCB比喷锡处理的板子抗CAF性能远远要好。由此可知，成品的表面处理方式对其抗CAF性有很大的影响。近期，很多的敷铜板生产厂家开发了专抗的板料，如日立公司的MCL-E-67等。结论：就目前所知，CAF不但和板材本身的抗CAF性有很大的关系，如玻璃纤维的类型，