林金堵本刊名誉主编吴梅珠（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

离子迁移的机理、危害和对策

林金堵
本刊名誉主编
吴梅珠
（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

概述了在印制板中“离子迁移”（CAF）漏电的机理、危害和对策.明确提出PCB走向高密度化和信号传输高频化的条件下，“离子迁移”漏电将走向严重化,要求进行CAF的测试与管控的重要性.

离子迁移；机理和条件；杂质和通道；湿气和电势；对策和改善

“离子迁移”（Ion Migration）漏电是“导电阳极丝”（Conductive Anode Filament）漏电，“阴极-阳极丝”（Cathode-Anodic Filament）漏电和“相比漏电起痕指数”（CTI，Comoarative Tracking Index）等的总称。它是指在PCB中互相绝缘的导体之间、或由导体组成的互相绝缘的”网络”之间，在电场等作用下发生“漏电”或短路的电气故障问题。离子迁移往往在PCB中的层面上导体之间（导线之间、焊盘之间和导线与焊盘之间）、层与层之间、孔与孔之间等处发生漏电的电气故障现象，而且正随着PCB高密度化（导体之间距离缩小、绝缘层厚度减薄）、多功能化和信号传输高频化与高速数字化的发展而越来越严重化起来，已经引起用户越来越重视而成为重要的测试和管控项目之一。

1 离子迁移的提出和危害

随着PCB（或电子产品）的高密度化、多功能化和便携化，离子迁移引起的电气故障比率越来越多，已经成为电子产品故障中最重要的故障之一。从离子迁移的机理和后果得知其危害是严重的。

1.1 离子迁移的提出和证实。

最早研究和提出离子迁移的现象是20世纪50年代（1955年）由美国贝尔实验室G.T.Kohman等人提出的，他们发现在电话交换机的连接件中，有些镀在铜接线柱上的银在酚醛基板内被检出，从而证实是银离子（Ag+）向酚醛介质层迁移而引起酚醛基板绝缘性能下降（漏电和短路）的结果！其原因是银镀层在受潮和直流电压下银产生离子化而形成的。后来的研究表明，通过大量试验和实践表明，除了银外，在PCB中的锡、铜和铝等金属导体都可能发生离子迁移现象。

1.2 ”离子迁移”已经成为电子产品故障中最重要的故障之一

自从20世纪90年代以来，随着电子产品全面地走上”表面安装”、接着进入”芯片级”的组装时期，要求PCB等高密度化、薄型化和多功能化发展，使得PCB中出现：导线越来越细小、间距越来越小；钻孔直径越来越小；连接盘尺寸和间距越来越小；绝缘介质层越来越薄；信号传输速度越来越快；工作电压越来越低而电流越来越大；板内发热量越来越高；采用无铅焊接受热温度更高更长等。这些因素诱发”离子迁移”造成的故障率越来越严重化，越来越成为电子产品在使用过程中而发生的故障,逐渐成为最大隐患之一！

2 离子迁移的机理和条件

2.1 离子迁移的机理.

在PCB或电子产品中，由于存在着化学品残留物、腐蚀气体、灰尘、金属离子或导电的阳离子和湿气（水份）等在电场作用下，通过绝缘层的表面、缝隙、裂痕、微孔、界面等发生离子迁移而导致绝缘性能下降或电气短路故障.这些金属离子或非金属离子（如NH4+）在湿气和电场作用下由阳极通过”绝缘层（表面或内部）”向阴极移动的阳离子而造成绝缘性能下降或电气短路现象称为离子迁移漏电故障。这种现象也包括锡须和银丝等的增长在内的导电阳极丝（CAF）的漏电故障!

2.2 离子迁移的必要和充分条件

从产生离子迁移的机理中可知，产生离子迁移的必要和充分条件应满足下面四个方面。

（1）在导体表面或”绝缘层（表面或内部）”存在着正离子等杂质。

这些杂质如金属微粒及其离子化（Cu、Ag、Sn及其Cu2+、Ag+、Sn2+）、NH3与NH4+等，在电场和潮湿（水份）的作用下，这些离子会从阳极向阴极发生迁移造成绝缘性能下降、漏电或短路。

（2）存在着、可离子迁移的”通道”或”空间”。

离子迁移的发生是需要”通道”的，即在阳极导体和阴极导体之间的介质层中存在着”通道”——缝隙、分层、裂缝、剥离等缺陷，这些”缺陷”能吸湿或存有微量的液体形成电解质，在电场作用下，使阳离子向阴极移动而形成离子”通道”。

（3）存在着离子迁移的”载体”（液体或湿气）。

由于介质层、或介质层与导体间的界面存在着各种各样的缝隙、撕裂、分层和热机残留应力等形成可吸收和容纳潮气（液体或湿气）而变成可使离子迁移的载体。

（4）存在着电场或电压（位）差（驱动力）。

尽管存在着离子型杂质、可离子迁移的”通道”和使离子迁移的”载体”，但只有再加上电场或形成”电压差”时，才会产生（驱动）离子迁移而造成导体间绝缘层性能下降而发生”漏电”或短路问题。

当然，还有导体之间的金属丝形成，特别是镀锡后形成锡丝、镀银后产生银丝等，也是属于CAF漏电的范畴，其原理与过程是相同的。

3 PCB发生离子迁移的主要部位

PCB中的离子迁移现象是随着PCB高密度化而严重化。大多数发生在：（1）导通孔与导通孔之间；（2）在导线与导线之间、导线与焊盘之间和焊盘与焊盘之间；（3）铜层与铜层（通过介质层）之间。而在高密度化板中，导通孔与导通孔之间产生CAF几率往往是最大的。

（1）导通孔与导通孔之间CAF。

这是PCB产生CAF的重点方面，主要原因有三大方面：①来自基材（CCL），由于树脂中残留离子或氨等、玻纤布与树脂之间的界面是最薄弱（微裂缝、分层、气泡、）之处，往往会会发生微分离现象，导致在”在制板”加工(特别是湿加工)过程中溶液或离子渗入界面处；②钻孔加工过程，钻孔参数不当或钻头磨损而产生介质层内的变形、撕裂等；③孔金属化和电镀铜产生的CAF，粉红（晕）圈（过去有关标准规定已经不适用于今天高密度化的要求了）形成（特别是黑氧化处理更为严重）、镀液渗透或浓度差等形成的。

（2）在导线与导线之间、导线与焊盘之间和焊盘与焊盘之间产生CAF。

主要是指同一层面上的导体之间“绝缘”质量，这主要是由于导体之间介质层存在着杂质（加工过程污染、间隙小清洁不够等）、气隙（如阻焊剂拐角等）、结合力低（阻焊剂与基体之间在加工时剥离）、吸湿等，在电场作用下产生CAF。

（3）铜层与铜层（介质层）之间产生CAF。

这种导体与导体之间的漏电——CAF是发生在介质层内，主要原因是：①树脂层内杂质离子、微气泡等存在；②玻纤与树脂之间撕裂（结合力差或残留应力大）等而造成树脂脆裂。主要是来源于基材和钻孔加工而形成的“通道”。

4 产生离子迁移的杂质和“通道”的主要来源

4.1 基材（CCL）

（1）耐离子迁移能力。MC-2≤环氧树脂/kEVLAR＜FR-4≈PI＜G-10＜CEM-3＜氰酸酯类＜BTMC-2（聚酯-玻纤布）基板的耐离子迁移的能力是最差的，而BT基板是最好的。常规的FR-4又比高Tg的FR-4差，双氰胺为固化剂的FR-4又比酚醛为固化剂的FR-4差。

（2）添加剂带来的杂质。引入的固化剂、催化剂等的添加剂中带来的杂质离子。

（3）填料化引起的。为了改善基材的性能而加入的陶瓷基材料而带来的杂质形成的离子。

（4）树脂与玻纤布等界面结合力和残留内应力。

（5）防吸潮、防污染等形成的。其中要注意防止CCL的存放、运输的条件（温湿度、污染等）而引起的吸湿或凝结水。

4.2 PCB的高密度化

PCB高密度化主要是线宽/间距精细化、导通孔微小化和介质层薄 型化等而达到轻、薄、短、小的目的。

4.2.1 线宽/间距

高密度化的主要内容之一是线宽/间距（L/S）越来越小。PCB线宽/间距（L/S）将会迅速走向微精细化，其加工、处理都发生“质”的变化。即：

（1）线宽/间距（µm）的微小化。

100/100→80/80→50/50→40/50→30/40→20/25→15/20→10/12→

（2）L/S精细化带来问题越来越多。

蚀刻难度大，特别是常规的CCL 板材的界面粗糙度大、间隙小，铜箔蚀刻干净难；

清洁难度大，同理，由于间隙越来越小并易于污染，要求清洁度高；

阻焊剂填塞困难、易形成气隙。

由于微小导线间表面的残留物清除、清洁困难加大，给CAF带来问题增大。

4.2.2 微小孔和节距

（1）孔微小化趋势。

孔径微小化（µm）：ф300→ф200→ф150→ф100→ф80→ф50→ф40→ф30

（2）层压加工。

当层压参数波动或半固化片（PP）的半固化程度变化时，往往会出现：

缺胶——界面结合力小，易于被撕裂；

固化不足——界面残留应力大或形成”微凹缩”，易于被撕裂；

固化过头——界面易于脆裂或脱落。

（3）孔的加工。

孔壁粗糙度要求。粗糙度是缺陷，会带来很多问题，如残留物等。随着孔小而粗糙度要减少：要求粗糙度越小越好，由40 µm→20 µm→15 µm→介质层撕裂。介质层中最薄弱处玻纤与树脂之间，易于被撕裂。

镀液残留问题。这些都会增加出现CAF 问题。

（4）多次湿法加工处理（吸收湿、烘烤等），所有薄弱处都会“加大”，并给CAF产生埋下隐患。

4.2.3 介质层薄型化

PCB发展与进步的标志之一是介质层薄型化，主要考量是：（1）绝缘性能（包括CAF）；（2）特性阻抗性能。因此，要求介质层完整性和厚度一致性是重要因素。

（1）介质层薄型化趋势。

介质层厚度（µm）：100→80→50→40→30→20→15→10→

（2）介质层的完整性。

防止薄芯片（板）和半固化片出现任何缺陷（微气泡、微裂缝、折弯、杂质等），这些都会成为发生CAF隐患。

4.3 孔金属化和电镀

4.3.1 粉红圈造成

在常规密度的PCB中，按IPC规定，存在粉红圈是可接收的！但是，在今天的高密度和高频信号传输下，当粉红圈深入到10 µm以上，加上可聚集成”溶液”，产生CAF问题已有实例而证实。因此，粉红圈必须控制或不可接受(收)。

4.3.2 镀液残留（渗入）形成

以含有离子或分子状态的电镀、溶液是可以渗透（入）到一切有缺陷（凹陷、裂缝、空隙等）的地方，这是形成CAF的主要原因（条件）之一。

4.4 清洁度

由于PCB的高密度化发展，必须要求相应地提高清洁剂（如水等）纯度或加工清洁的等级。

（1）加大（长）DI水洗段或延长时间；

（2）浸洗后加喷淋（含提高水压力）；

（3）缩短半成品（特别是最后经过的裸板）停、存放时间以防止再（次）污染。

5 防止CAF的主要措施

从根本上来说，防止产生CAF的实质是提高原材料的质量（含纯净度等）、制造加工过程技术和清洁度等三大问题。

（1）选择合适的基板材料类型及其性能等级。

要根据印制板的类型、性能和要求等来选择相关的基材。对于高密度互连和高频信号的传输板来说，必须选择耐离子迁移能力强和性能等级高的材料，如BT、氰酸脂和酚醛为固化剂的FR-4等。

（2）制定合适的制造与加工技术或等级。

同理，应根据印制板的类型、性能和要求等来制定其制造与加工技术，从图形转移、钻孔、孔金属化与电镀一直到表面涂（镀）覆层处理与完成等工程，都要制定具体的制造规程与监控以满足耐CAF的要求。

（3）采用合适的清洁技术和清洁度（等级）。

除了选择耐CAF的基材和制定相应而具体的制造规程与监控外，还必须制定相应的清洁技术和清洁度（等级）。如清洁水的等级和清洁制度、环境（清洁）要求等，才能保证印制板加工过程中的清洁度的要求。

（4）具体问题具体分析。

尽管产生CAF的因素非常多，但总是存在着最主要的因素，只有抓住最主要的因素（通过试验、观察、测试和分析），落实改进措施，CAF的问题是可以解决的。

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The mechanism, harm and improvement of CAF

LIN Jin-du WU Mei-zhu

The paper describes the mechanism ,harm and improvement of CAF in PCB. The seriousness of CAF is increasing under the condition of function of the high-density and high-frequency with transmission signal. The importance of test and control in CAF is required.

CAF; Mechanism and Condition; Impurity and Passage; Moisture and Potential; Countermeasure and Improvement

TN41

A

1009-0096（2014）02-0048-03