玻纖裂紋分析及其對PCB耐CAF性能的影響

摘要

燈芯是PCB製程式控制制的常規控制項目，一般定義銅滲入玻纖的部分為燈芯，通常在金相顯微鏡明場下觀察。但隨著產品絕緣可靠性要求越來越高，只能在金相顯微鏡暗場下觀察到的玻纖裂紋（玻纖發亮區域）需引起材料和PCB生產廠商更多的重視，因為其對後續產品的絕緣性能有關鍵影響。本文通過實驗考察了材料、鑽孔等因素對玻纖裂紋長度的影響，並分析了其對PCB耐CAF性能的影響。通過修正後的CACLE模型，結合玻纖裂紋長度，推算不同孔壁間距下的耐CAF性能，為後續的相關研究提供了理論依據和試驗基礎。

1 前言

燈芯（wicking）是PCB生產製程的常規監控項目，是指通孔孔壁上沿玻纖有化學銅層滲鍍其中，出現如掃把刷子般的形貌，如圖1為IPC-A-600H所描述的燈芯形貌及測量方法：

從圖1中可以看出，燈芯長度即銅滲入玻纖的長度，在IPC-A-600H中，對於燈芯長度的控制分為3級，分別為80μm、100μm、125μm。然而，當把研磨好的孔垂直切片放置在顯微鏡下，分別採用明場和暗場進行觀察，卻發現了一些異常的情況，如圖2：

如圖2所示，無論在顯微鏡明場還是暗場下，均可較準確地識別和測量燈芯的長度。然而將顯微鏡切換至暗場後，沿著玻纖出現了一些玻纖束髮亮的情況，當燈芯長度為40μm時，這段發亮區域的長度達到了110μm左右。某些客戶已經開始要求對這段發亮區域的長度進行控制，要求參照IPC-A-600H中玻纖長度的標準，也分為3級：80μm、100μm、125μm，這無疑加大了PCB製造商製程式控制制的難度。本文針對此玻纖發亮的情況，研究了其成因和對PCB耐CAF性能的影響，通過實驗考察了材料、鑽孔參數等因素對其的影響，並結合修正後的CACLE模型，推算不同孔壁間距下的耐CAF性能，為後續的相關研究提供理論依據和試驗基礎。

2 玻纖發亮成因分析

2.1掃描電鏡觀察

用掃描電鏡（SEM）觀察截面形貌，如圖3所示：

通過掃描電鏡觀察玻纖發亮的位置，發現在玻纖和樹脂之間出現了裂紋，此裂紋深處並沒有銅滲入，因此沒有產生燈芯。這樣的裂紋可以通過大部分PCB製造廠商的成品檢測，因為其在常溫下是可以通過電測的，且兩孔之間的絕緣電阻也可以達到要求，但此類裂紋對於產品的絕緣可靠性，特別是CAF，影響是巨大的。

2.2耐CAF性能考察

燈芯一直被認為會直接影響PCB的耐CAF性能，然而從實驗結果看，我們認為更直接影響PCB耐CAF性能的應該是玻纖裂紋的長度。通過實驗進行驗證，以圖4的圖形設計製作CAF實驗板：

採用某普通Tg（DICY固化，內層為5*7628）板材，設計0.7mm/0.2mm、0.65mm/0.25mm、0.6mm/0.3mm三種孔徑/孔壁間距的雙面CAF試驗板，切片觀察三種設計的玻纖裂紋情況，如圖5所示：

三種設計的燈芯、玻纖裂紋長度及對應的CAF失效壽命如下：

眾所周知，CAF的產生有一個首要的先決條件，就是有可供陽離子遷移的通道。可以看到，0.7mm/0.2mm和0.65mm/0.25mm的試驗板，其玻纖裂紋已經貫通了兩孔之間的通道，這為陽離子的遷移提供了充分的條件。從CAF失效數據看，0.7mm/0.2mm和0.65mm/0.25mm的試驗板在很快的時間內就失效，而0.6mm/0.3mm的試驗板，由於其尚未完全連通，仍需要在玻纖和樹脂之間粘結劑的水解併產生通道後方可導通，因此擁有比其他兩種設計更長的CAF失效壽命。

由上述實驗可以看到，玻纖裂紋從一定程度上決定了PCB的耐CAF性能，而往往在相近的燈芯水平下，其玻纖裂紋長度有時候會差很遠，因此在製程方面除了燈芯之外也需重視對於玻纖裂紋的控制。

關於此玻纖裂紋的成因，可能是由於PCB在機械鑽孔時，孔壁遭受了機械切削力攻擊，玻纖與樹脂之間的結合產生了鬆動。在後續的除膠過程中，有部分藥水進到鬆動的部位，咬蝕掉了這部分結構鬆散的樹脂，最終導致了玻纖裂紋的產生。

3 玻纖裂紋長度的影響因素

從玻纖裂紋的成因看，影響玻纖裂紋的因素應主要包括以下兩個方面，即板材、鑽孔參數，因此通過實驗分別從上述兩個方面驗證其對玻纖裂紋長度的影響：

3.1 板材因素

考察不同板材在相同製程條件下的玻纖裂紋長度，均採用板厚1.0mm的覆銅板進行鑽孔，內層為5*7628結構，分別鑽0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25mm的孔，不同板材的信息如下表所示：

將實驗板沉銅電鍍後，通過切片分別測得5種不同板材不同孔徑下的玻纖裂紋長度，結果如圖6所示：

從圖6可以看出，不同板材的玻纖裂紋長度存在較大差異：

①低Tg、DICY固化體系的板材，其玻纖裂紋長度最長，當孔徑為0.25mm時，甚至達到150μm以上。

②高Tg、PN固化體系的板材，玻纖裂紋長度較低Tg、DICY固化體系的板材短，但各高Tg、PN固化體系的板材之間也存在較大差異，3#板材的玻纖裂紋長度在100μm左右，而2、4#板材的玻纖裂紋長度在60μm左右，差異較明顯。

③陶瓷粉填充增強熱固性樹脂的高頻板材，其玻纖裂紋長度最短，在30μm左右。

3.2玻纖結構因素

選取1#板材，分別用7628、2116、1080、106半固化片壓合覆銅板，分別鑽0.65、0.55、0.45、0.35、0.25mm的孔。將實驗板沉銅電鍍後，通過切片分別測得4種不同玻纖結構不同孔徑下的玻纖裂紋長度，結果見圖7。可以看到，當內層半固化片為7628時，其玻纖裂紋長度要遠大於內層為2116、1080、106半固化片時。7628、2116、1080、106半固化片在含膠量和經緯向玻纖數目方面存在較大差異，這應是它們在玻纖裂紋方面存在較大差異的主要原因。

3.3鑽孔進給量因素

選取3#板材，板厚為1.0mm，鑽孔孔徑為0.4mm，鑽刀為新刀（壽命2000），通過改變進刀速來調整進給量，進給量分別採用0.02、0.015、0.01、0.005mm/rev。將實驗板沉銅電鍍後，通過切片分別測得4種不同進給量下第2000個孔的玻纖裂紋長度，結果見圖8：

減小進給量，有利於排屑。但減小進刀速延長了鑽頭滯留在孔內的時間，鑽頭與孔壁發生長時間摩擦容易產生鑽污附著在鑽刀上，也會影響鑽頭的切削，從而導致鑽孔缺陷。從圖8可以看出，當減小進刀速減小進給量後，玻纖裂紋長度反而有所上升，當採用0.4mm的鑽刀，進給量為0.02時的玻纖裂紋最短。因此，必須將進給量控制在一定範圍內。

3.4刀具因素

選取3#板材，板厚為1.0mm，鑽孔孔徑為0.4mm，分別採用新、翻磨1次、翻磨2次的鑽刀鑽孔。將實驗板沉銅電鍍後，通過切片分別測得3種鑽刀下第2000個孔的玻纖裂紋長度，結果見圖9。可以看到，無論是新的還是經過翻磨的鑽刀，只要是在一定壽命範圍內，其玻纖裂紋長度並無太大差別。

3.5鋁片因素

選取3#板材，板厚為1.0mm，鑽孔孔徑為0.4mm，鑽刀為新刀（壽命2000），分別採用普通鋁片和LE鋁片。將實驗板沉銅電鍍後，通過切片分別測得不同鋁片下第2000個孔的玻纖裂紋長度。結果顯示，採用普通鋁片的玻纖裂紋長度約為58.71μm，採用LE鋁片的玻纖裂紋長度約為47.76μm。採用LE鋁片能略微減少玻纖裂紋的長度，但並不是很明顯。

3.6疊板因素

選取3#板材，板厚為1.0mm，鑽孔孔徑為0.4mm，鑽刀為新刀（壽命2000），分別用一塊一疊和兩塊一疊。將實驗板沉銅電鍍後，通過切片分別測得第2000個孔的玻纖裂紋長度。採用一塊一疊的板的玻纖裂紋長度約為58.71μm，採用兩塊一疊的板的玻纖裂紋長度約為87.92μm。結果顯示，疊板對於玻纖裂紋長度水平有很大影響，一塊一疊的方式可以有效減短玻纖裂紋。

綜上，板材、疊板、玻纖結構、進給量因素對於玻纖裂紋影響較大，而刀具和鋁片因素對於玻纖裂紋影響較小，製程中需有針對性的進行控制。

4 CAF失效壽命計算

通過對玻纖裂紋長度的測量和控制，可以用CAF失效模型計算並預估不同孔壁間距下的CAF失效壽命。

4.1理論模型

目前業內常用的CAF失效模型主要有兩個，一個是Bell Labs模型，一個是修正後的CALCE模型：

①Bell Labs模型

其中MTF為失效時間，a、b、n、d為常數，L為電氣間距，V為外加電壓，H為相對濕度，Ea為激活能，k為波爾茨曼常數。

②CALCE模型

其中p為Cu密度；a為導電性陽極絲體積分數；R為氣體常數；T為絕對溫度；L為內部電極區域的初始間距；D為PTH周圍的易失效區域；n為電子價態，Cu時為2；F為法拉第常數；M為離子遷移常數（FR-4）；Cu為Cu離子濃度；H為相對濕度；V為外加偏壓；E為激活能。

無論是Bell Labs模型還是CALCE模型，均認為CAF失效壽命與電氣間距呈指數關係。但其中CALCE模型就電氣間距提出了更貼切的描述，模型中的「L-2D」指出了一個很直觀的概念，即CAF失效壽命不僅與設計孔壁間距相關，還與易失效區域D密切相關。

上文中我們通過實驗確定了當玻纖開裂導致兩孔之間發生連通時，其幾乎沒有耐CAF性能；而當兩孔之間未發生連通時，開始有了一定的耐CAF性能。因此，我們認為這裡的D不是燈芯的長度而是玻纖裂紋的長度，這段玻纖開裂的區域會在很短的時間內即產生CAF。

從式⑵中可以得出以下關係：

從式⑶中可以得出，對於同樣CAF壽命要求的PCB，若能有效地降低D，便同樣可以降低安全孔壁間距設計L，從而使製程擁有更小的孔間距製作能力。因此，玻纖裂紋的控制從一定程度上決定了PCB的孔間距設計和耐CAF性能。

4.2理論計算

通過對於D的理解，我們可以通過實驗得到某些間距（L1-2D1）下的CAF失效壽命，推算得任意間距（L2-2D2）下的CAF失效壽命，即：

使用1、3#板材製作CAF實驗板，板厚1.0mm，雙面板，孔pitch均為0.9mm，孔壁間距分別為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65mm，實驗條件為溫度85℃、濕度85%RH，外加偏壓100V，實測得各設計下的玻纖裂紋長度和CAF失效壽命。然後通過擬合得到1#板材的CAF失效壽命近似為t（f）=4.5331×10-4（L-2D）2，實際CAF失效壽命與理論失效壽命的對比圖見圖10：

如圖10所示，可以看到通過實測各設計下的玻纖裂紋長度和失效壽命，可以較好地推算出不同孔壁間距設計下的CAF失效壽命。雖然由於玻纖裂紋長度的測量並無法覆蓋到所有的孔，與實際失效壽命之間會產生一些偏差，但仍可反映CAF失效壽命的基本趨勢和大致範圍。

5結論

⑴玻纖裂紋對CAF的產生具有決定性的影響，當玻纖裂紋貫穿兩孔時，此兩孔之間無耐CAF能力，在極短的時間內即發生失效；因此，需引起更大的關注並有針對性地進行控制；

⑵板材、疊板、玻纖結構、進給量因素對於玻纖裂紋影響較大，而刀具和鋁片因素對於玻纖裂紋影響較小；

⑶通過玻纖裂紋的測量和對CALCE模型的理解應用，可以較好地推算出不同孔壁間距設計下的CAF失效壽命，為後續相關研究提供理論依據和試驗基礎。

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