印制電路板內(nèi)的導(dǎo)電細(xì)絲生成失效

1、印制電路板內(nèi)的導(dǎo)電細(xì)絲生成失效Keith Rogers, Michael Pecht , 吳際美國馬里蘭大學(xué) CALCE EPSC 摘要我們對(duì)漏電流過大的印制電路板組件進(jìn)行了失效分析以確定其相應(yīng)的失效機(jī)理。通過對(duì)失效位置（通過電路分析定位）進(jìn)行光學(xué)顯微和掃描電鏡分析，在印制電路板內(nèi)發(fā)現(xiàn)有松解的玻璃纖維將電鍍通孔與銅平面層相短接。這一現(xiàn)象很像是導(dǎo)電細(xì)絲生成。背景 作為電子二級(jí)封裝的印制電路基板，其材料和結(jié)構(gòu)必須承擔(dān)可靠進(jìn)行關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行的多項(xiàng)工作，這些工作包括給單個(gè)芯片供應(yīng)電源、進(jìn)行精確的信號(hào)時(shí)序傳輸、結(jié)構(gòu)支撐和導(dǎo)熱等。為了實(shí)現(xiàn)這些性能要求，印制電路基板以層壓結(jié)構(gòu)布局，包含銅箔層和每?jī)蓚€(gè)銅箔層之間

2、的介質(zhì)材料層。由銅箔層生成的電路用來承載電源、信號(hào)及熱能。大多數(shù)基板中所用的介質(zhì)材料是由有機(jī)樹脂和增強(qiáng)型高強(qiáng)度纖維組成。不斷微型化和性能集成化的需求推動(dòng)印制電路板 (PCB)上的元器件數(shù)量和互連密度的增加。這也推動(dòng)著印制電路基板不斷向今天所用的多層印制電路板的發(fā)展。導(dǎo)體間距、過孔和電鍍通孔（PTH）直徑的成倍縮小導(dǎo)致PCB越來越容易產(chǎn)生導(dǎo)電細(xì)絲生成（Conductive Filament Formation,CFF）。CFF是在印制電路板帶電應(yīng)用情況下，金屬（通常是以離子形式）電化學(xué)遷移穿過或越過非金屬介質(zhì)的過程1-3。CCF可能導(dǎo)致降低產(chǎn)品性能的過大的漏電流，也可能導(dǎo)致產(chǎn)生完全失效的短路。帶

3、偏壓的導(dǎo)體就像電極一樣提供了驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)在有機(jī)樹脂和增強(qiáng)纖維之間的已侵入的濕氣則充當(dāng)了電解液的角色（如圖1所示）。隨著金屬離子遷移并在兩個(gè)偏壓導(dǎo)體之間橋連，絕緣電阻的下降導(dǎo)致電流浪涌，電流浪涌將最終導(dǎo)致短路并形成局部高溫，局部高溫最終導(dǎo)致在相應(yīng)兩個(gè)導(dǎo)體間產(chǎn)生燒毀或燒焦。影響CFF的主要因素包括基板特性（樹脂材料、涂覆層、導(dǎo)體結(jié)構(gòu)）和運(yùn)行環(huán)境（電壓、溫度和相對(duì)濕度）。CFF發(fā)生所必需的路徑通道是單體纖維和有機(jī)樹脂之間的界 面分層所形成的。鉆孔不良和熱循環(huán)通常會(huì)加速這種分層的產(chǎn)生（如圖2a和2b），業(yè)界已有電遷移發(fā)生與各種影響因素之間的量化關(guān)系的研究數(shù)據(jù)4-6?；谶@些經(jīng)驗(yàn)化數(shù)據(jù)，可以建立預(yù)測(cè)C

4、FF失效壽命的模型6,7。近來越來越多的試驗(yàn)表明： C F F 也與中空纖維有關(guān) 8 , 9 。在這種情況下，雖然使用環(huán)境條件是一樣的，但CCF的生長(zhǎng)路徑是在中空纖維內(nèi)部，而不是沿著樹脂/纖維界面生長(zhǎng)。業(yè)界也已有模型預(yù)測(cè)在纖維內(nèi)進(jìn)行電遷移的情況和它對(duì)平均失效時(shí)間影響10。分析過程我們對(duì)一個(gè)在市場(chǎng)運(yùn)行發(fā)生短路的缺陷PCB進(jìn)行了失效分析。缺陷單板信息如下：六層板、厚70mi、線寬5mil、線距5mil、外層銅厚為1盎司、內(nèi)層銅厚為0.5盎司，板上PTH最小直徑為12.5mil。短路處的PTH和地平面銅箔走線之間距離約為14mil。該板的情況很像CCF失效。我們通過電測(cè)試確定確切的失效位置，并進(jìn)行垂

5、直于PCB Z軸方向的基板材料切片，一直定位到失效的銅箔層（如圖3a和3b所示）。然后對(duì)失效樣件的電鍍通孔（PTH）的直徑方向進(jìn)行切片分析，從而可以從頂面對(duì)失效區(qū)域進(jìn)行觀察（如圖4a和4b），用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（ESEM）進(jìn)行觀察分析。結(jié)論在圖3a中，可以在PTH附近觀察到一塊黑的、變形的區(qū)域。燒毀顏色和樹脂的變形表明此處發(fā)生了有機(jī)樹脂的燃燒。在圖b中看到的破損纖維圖片，是失效區(qū)域產(chǎn)生過大量熱的另一個(gè)證據(jù)。作為增強(qiáng)材料的玻璃纖維通常具有柔性，然而，當(dāng)遇到高溫時(shí)，它就會(huì)變得很脆，從而容易發(fā)生斷裂。討論本文對(duì)一個(gè)失效印制電路板（PCB）用電測(cè)試進(jìn)行失效位置定位，然后對(duì)失效地點(diǎn)進(jìn)行切片分析，并用光學(xué)和掃描電鏡進(jìn)行觀察?；跇渲臒龤饷?、嚴(yán)重的玻璃纖維斷裂、從電鍍通孔（PTH）到銅走線之間存在燒毀路徑等信息，判斷其失效機(jī)理是導(dǎo)電細(xì)絲生成（CFF）。在PCB內(nèi)部發(fā)生的導(dǎo)電細(xì)絲生成很容易誤判為“未名失效”