水溶性助焊剂(5G产品-印制电路板(PCB)失效判读及改善6：电化性迁移成因与预防)

Posted 2023-05-30

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水溶性助焊剂(5G产品-印制电路板(PCB)失效判读及改善6：电化性迁移成因与预防)

大家好，本文主要为大家分享印制电路板(PCB)失效判读及改善:电化学迁移(ECM)成因与预放。如果觉得分享的内容对你有帮忙，请帮忙点赞+关注，谢谢。

前言：在印制电路板前期，客户一般会要求供应商提供满足产品要求的认证板，也叫考试板，即入场券。

考试板的验证要求：当考试板多股平行密线区进行双85(温度85℃，湿度85%)与DC50V之THB长时间耐绝缘试验中；阳极会出现电解水之反应而产生O2及Cu+/Cu++等铜离子，阴极也同时电解水而产生H2并送出电子，且将从阳极出门的铜离子立即还原成铜金属而分布在两极间的绝缘材料内，故又称为铜迁移。由于O2体积较大经常会顶破外层的S/M造成大量表面铜迁移甚至短路烧机出现黑色的碳渣，通常考试需240小时而不失效才算及格。

1.什么是电化性迁移?其特性有哪些?电化性迁移Electro-Chemical Migration

(1)PCB内外各式绝缘材料（简称为介质 Dielectric）长期使用中难免绝缘质量发生劣化（由于吸水、电解质或导体残留、出现通道）；

(2)考试板刻意在跨越相邻两导体（铜孔壁与水平或垂直之铜导线）间外加直流（DC）电源使两导体间产生偏压（Bias），并在双85环境中长时间劣化者称为THB试验。

(3)经长时间通电反应中，处于正极（阳极）的铜金属会被外电源抽掉电子而氧化成Cu+／Cu++，并同时也电解水而产生O2。

(4)于是阳极的金属铜被持续氧化成为Cu+／Cu++，并经由信道而往阴极（负极）缓慢移动（与外电压高低以及距离远近成正比）。

(5)阴极也同步被DC外电源送来多量电子，此等带负电的电子将经由板材通道而快速奔向阳极。且电解水的过程中也会发生H2。

(6)铜阳极出走的Cu+／Cu++往阴极中遇到快速奔来的电子时，将立即还原成为金属铜。

(7)如此连续反应中使得阳极的铜会逐渐迁往阴极，甚至造成短路与烧断的镜头不断上演。学理上称为电化迁移ECM或称为铜迁移。

2.考试板失效外观表现(发生于PAD与PAD之间)：表面绿漆被O2顶破处的正极将冒出许多黑色的CuO/Cu2O，随即被负极快速奔来的电子所还原成金属铜粒，绿漆表面上造成短路时甚至会烧机也出现碳渣等黑色物质。即使绿漆未破铜迁移也会在绿漆本体与板材面上发生。

3.ECM在考试板中对密集线路的影响(微切片分析，发生于线路之间)：当考试板密集线路到1mil/1mil时，则在双85与偏压5.5 V下经240小时及格后，从切片上可明显见到阳极萎缩而阴极增长的清楚画面，其实这种THB可靠度试验就是刻意考验板材与绿漆的绝缘质量以及产线的制作工艺如何？考试板不及格订单当然就不会来了。

4.微切片分析(于线路之间ECM的影响)：由切片看到②图中2㏕/2㏕密线绿漆考试板失效真因之一，就是外层线路铜面粗糙度不足抓地力太差，以致THB可靠度试验中被气体（负极的H2与正极的O2）所顶破，进而快速从绿漆表面进行铜迁移造成短路之失效(见③④⑤图)。过度密集的多线区其绿漆的气泡与粉料都要减少，并于加印S/M前彻底做好板体的清洁工作。

5.电化迁移ECM发生于玻纤纱束中者称为CAF(发生于材料玻纤中): CAF(Conductive Anodic Filament) 阳极性玻纤纱式漏电

1)当板面两股线路或板内两个镀通孔相距太近（防火墙在15mil以内），一旦板材吸收水气较多时，相邻铜线或孔壁其压差的两极间会顺着板材玻纤纱的表面，不断出现电化性迁移之绝缘劣变情形。此乃因完工玻纤布为求能良好含浸有机树脂起见，均在布表做过耦合性“硅烷处理”（Si laneTreatment）之皮膜，一旦水气较多又恰好线底压触到玻纤布时，将因此种皮膜具有较大的极性与出现缝隙进而吸水，逐渐呈现轻微之漏电现象，特称为CAF。常见的CAF有孔壁与孔壁之间，孔壁到线路，以及线路到线路间之各种漏电情形。

2)凡当板材出现细微通道又存在水气与电解质或dicy固化之极性较大树脂，再加上纱束两端铜导体之电压不等时（即所谓的偏压Bias），将有可能在阳极处（较高电位者）发生铜金属的氧化而出现Cu+ 或Cu+2，进而会延着玻纤纱束中的空隙（信道也），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的还原，并在两端延着纱束逐渐搭成了短路式的漏电，特称为CAF亦称为Copper Migration。

3)自从无铅化与无卤板材的盛行后，树脂中即添加多量粉料(10% V/V)的SiO2或Al(OH)3，在黏度增大下使得树脂不易含浸进入玻纤布，甚至纱束与树脂的接口也出现空隙。加以孔距日益拉近绝缘厚度不断逼薄，在后续使用中无法防堵下，致使不断出现的CAF已成为痛苦的问题。其最令人寝食难安的是PCB与PCBA过程中根本逮不到此等瑕疵，直到最后出了大问题时已经太晚了。

6.CAF 发生的原理:

此图系日立化成所发表CAF的成因说明，当五种失效条件皆具备完全时（1.水气 2.电解质 3.露铜 4.偏压 5.通道），则居高电位阳极的铜金属会先氧化成Cu＋或Cu++，并沿着已存成不良通道的玻纤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蔓延出铜膜，故又称为”铜迁移”。一旦完成通路导电时却又遭到高电阻的焦耳热所烧断，然而在原因未消失前，还将会一再重复出现CAF的戏码。

7.CAF成因说明：上二图说明孔壁与附近导体的关系，一旦其间玻纤或树脂中出现空虚通道者将埋下CAF的病灶。左下三图说明两通孔间或层次间防火墙出现信道而发生CAF的示意图，下右为玻纤纱束中微裂通道的放大图。

8.Electromigration Process 电化迁移过程: 当水膜水气充足时，外层两裸铜线路间会在阴极处出现枝状的铜与氧化铜生长。

9.CAF与PCB设计相关性：两通孔之间的防火墙厚度凡其等低于15mil(0.4mm)者，即应考虑到CAF问题。板材业者常说的无卤抗CAF其实并非真言.

10.CAF与PCB的关系：

10.1三个方面对CAF的影响：1)设计、2)材料、3)制程工艺。两通孔间防火墙太薄，或板材含浸不良残留通道，或钻孔粗糙引发通道，在湿气与偏压中可能出现CAF而失效，烘干又可能回复正常。

10.2设计及钻孔参数优化：防火墙厚度低于15mil者其发生CAF的机率也将加大，钻孔参数必须提高规格到C.L.<0.5mil/R，TIR<0.4mil，且刀刃应锐利以避免板材的拉扯而造成后续的渗铜与CAF。

11.钻真的选择-小孔钻针的说明：小孔(10 mil以下)：小孔钻作条件须高转数低进刀(即扭力小)并应降低偏转(Run Out)，以减少摇摆进而减轻孔壁粗糙以尽可能降低渗铜(Wicking)避免CAF 的隐忧与后患。

12.钻孔不良工艺的影响：钻孔粗糙再加上过度除胶渣(Desmearing)将导致玻纤束中超量渗铜(Wicking)，对于较薄(＜15 mil)的防火墙者，则有可能出现CAF。

13.镀铜切片判读：多层板为了保证孔铜附着力更好起见，玻纤纱之渗铜须达1mil，但不宜超过2mil，IPC-6012C(2010.4)所列的4mil规格已不合时宜了。

14.实例判读：上二图为孔壁间距低于20mil与接近20mil的密孔，暗场中明亮的纱束即表示可能有通道存在，下二图则为渗铜（Wicking）的深度数据.

15.材料影响实例说明：玻纤布难免会存在断丝的纱束，此种通道亦将成为CAF的隐忧。

从明场偏光到暗场透入等显微取像法，均可进一步认知通道的可怕。

16.防火墙愈薄者板面Dendrite与玻纤束之CAF也愈容易发生，且与HF脆性板材的吸水、钻孔、除胶渣、黑化，以及渗铜等也有关。

下游焊接助焊剂的影响：下列四图为下游贴焊时为了焊锡性外观讨喜起见，波焊竟然采用水溶性猛烈助焊剂！这种不择手段讨好客户的做法，板面一旦有任何焊后清洗不足者，所残留的酸液将持久性的猛咬孔铜直到全部酸液消耗完毕为止，并在孔口留下一大堆铜盐做为铁证而已。

而且当酸液甚多渗入绿漆塞孔之狭缝者，不但将孔铜咬成铜塩堆在孔口，甚至还继续深入不断咬铜，居然还将含结晶水的铜盐挤出孔外堆积在绿漆表面，远远向外延伸,触目惊心之余更庆幸科学证据之得来不易也。

17.PCB材料的改良对CAF影响：开纤布含浸良好者可降低通道: IPC-4101B(2007.4)进步到无铅化，4101C(2009.8)更进步到无卤化板材，两者树脂对玻纤都不易填充扎实而可能存在不良通道。下四图之B2it均采真正的开纤布。

18.板材的更新换代对CAF的影响：无铅化或无卤化板材为了减少Z膨胀降低爆板起见，均需加入重量比25%左右的粉料(Fillers)，但如此一来也增大了黏度平添了含浸的困难，进而留下通道与CAF的隐忧。

当板子愈厚又加上板内厚铜导体者，则无铅回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ECM与CAF的病灶。

19.无卤板材实例说明：无卤板材脆性较大，前3图出现微裂者即为Tg150的HF板材于通过112次IST温度循环试验所呈现的微裂情形。第4图之14层板系通过400次者的切片图。

20.对CAF的改善---改用真正的开纤布: 由上二画面可明显看到传统玻纤布与开纤布之区别，另四图为无卤板材之100倍与200倍画面，均可清楚见到树脂中的Fillers。且在左下图中更可见到2116、7628与1080三种玻纤布，事实上只有最薄的1080才出现真正开纤与布洞或开口之弥合而让透气率降低的良好质量。

20.1开纤布原理说明：此处三种玻纤布放大实例中可清楚见到开口的大小，开口愈少则透气度愈少。

20.2实验数据说明：此图共列有四组密孔（孔径均为0.4mm），经双八五（85℃，85％ RH）在100V偏压的可靠度试验中，所测得各个防火墙之动态绝缘电阻（纵标），并在线监测到失效（紫线与蓝线的下滑）前可抵挡的小时数（横标）。

20.3IPC文件对预防CAF说明：上二图均源自IPC-9691A对CAF成因与预防的说明文件，左图三排正极孔与两排负极孔顺着玻纤纱而制作。右图的正负孔串却是错开者，使得两孔中间的玻纤纱束对铜迁移形成了迂回，当然就不容易发生CAF了。