印製線路板絕緣性能失效案例分析
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摘要
絕緣性能是印製線路板（PCB）可靠性指標中一項關鍵內容，絕緣電阻則是用於評價PCB絕緣性能的一個重要指標。影響PCB絕緣電阻的因素有溫度、濕度、電場強度以及樣品處理等。印製線路板絕緣性能的失效分析，對PCB製程預防及改善均有一定的參考意義。文章將通過幾個實際碰到案例的詳細分析，來對線路板絕緣電阻降低的原因和分析方法進行介紹，以供參考、借鑒。
關鍵詞：印製線路板；絕緣；電阻；案例；失效分析
1引言
隨著微電子技術的高速發展，特別是近年封裝基板及其元件的飛速發展，電子產品的體積越來越小，PCB也向更輕、薄、短、小發展。在整個集成電路模塊向高密度、微小化發展趨勢下，PCB相鄰導體和元器件之間的絕緣性能受到越來越多的關注。如何在如此微細的產品上，保證其在整個壽命周期內的絕緣性能，是業內所有PCB製造商所面臨的問題之一[1]。
印製線路板的定義是按照預先設計的電路，採用印刷法，在絕緣基板的表面或其內部形成的用於元器件之間連接的導電圖形技術。即印製線路板的功能主要是實現組裝目標元器件的電氣互聯導通和絕緣。要實現PCB組件固定的功能，其上的線路和元器件間的互相絕緣性能尤為重要。線路間的絕緣性能可靠性不佳，會直接導致組裝的器件不能正常運轉，嚴重的甚至出現安全事故。因此本文將主要針對PCB及其組件的絕緣性能方面失效的幾種模式結合具體案例進行分析，以供同行參考、借鑒。
2絕緣電阻
絕緣電阻是PCB絕緣性能的一個重要且容易表徵的指標。通過絕緣電阻的表徵，可以檢查元件設備的絕緣狀態是否良好[2]。絕緣電阻是施加於電氣絕緣材料上兩導體之間的直流電壓與流過絕緣體的泄露電流（穩態）之比，即：
式（1）中：
R表示絕緣電阻（Ω）；
U表示直流電壓（V）；
I表示泄漏電流（A）。
絕緣電阻又由體積電阻和表面電阻兩部分並聯組成。如下式：
式（2）中：
RV表示體積電阻，即施加於絕緣體上兩導體之間的直流電壓與流過絕緣體的內部泄漏電流之比；
RS表示表面電阻，即施加於絕緣體上兩導體之間的直流電壓與流過絕緣體的表面泄漏電流之比。
對於印製線路板及其組件在絕緣性能方面出現失效，往往是由於種種原因導致了其中的絕緣電阻下降造成的。影響絕緣電阻的因素有溫度、濕度、電場強度以及樣品處理等，最後導致絕緣電阻下降，產品失效往往是以上幾個因素共同作用的結果[3]。具體來講，分為以下幾個方面：溫度的升高增加了微觀粒子的活化能，提高了其在絕緣體內部和表面的遷移速率，降低了體電阻率和面電阻率；濕度的增加提供了不良副反應（如銅離子水解等）發生的有利環境；電場強度提供了微觀粒子運動的驅動力。從對於絕緣電阻的理解引申出來，PCB板絕緣性能失效通常可能發生在PCB的表面或者體內（即表面電阻或者體積電阻過小），在表面表現為電化學遷移（ECM或離子污染），在材料內部則主要表現為陽極導電絲（CAF）。
3 兩種PCB絕緣失效模式
通過對絕緣電阻的理解，PCB及其組件對於絕緣性能失效的失效模式可以對應於兩種絕緣電阻減小方式，即表面電阻降低和體積電阻降低：
（一）表面腐蝕和離子遷移失效模式——表面絕緣電阻降低
現代電子組件中，對於集成電路除了連接引線外均實施封裝，而PCB上(包括插接連接部位電路)各種線路的交錯連接，多種材料的同時使用；眾多的焊點和殘留污染物，使得PCB在大氣環境下最容易遭受腐蝕。由腐蝕引起的電化學遷移是電子產品特別是PCB和微電子器件失效最主要的原因[4]。
電化學遷移包括陽極溶解、離子遷移、金屬離子的還原沉積或電場作用下導電性金屬鹽定向聚集等過程。即使工作電壓只有幾伏特，但由於高集成度，PCB上相鄰線路間的電場強度也可達102一103 V /cm。產品在使用環境中的污染物（尤其是氯化物）、塵埃、溫度和相對濕度等因素會加速PCB表面的腐蝕過程發生[5]。目前已有較多的文獻對於電子系統腐蝕問題進行了相關研究，並較深入地探討了溫度、濕度和污染物對電子材料腐蝕行為影響。
（二）陽極導電絲（CAF）失效模式——體積絕緣電阻降低
CAF現象於1976年首次由貝爾實驗室發現，公認的成因是銅離子的電化學遷移伴隨著銅鹽的沉積。CAF的產生通常與機械鑽孔有關，激光鑽孔則不存在這一問題。PCB板內部玻璃纖維和環氧樹脂結合處受到物理破壞，在一定濕度環境里吸潮，形成了電化學遷移的通道，金屬鹽在玻璃纖維和樹脂間的界面發生遷移；在導體兩端施加直流偏壓時，與直流電源的正極相連的導體為陽極，與負極相連的導體為陰極，分別在兩極發生以下反應：
最終在印製線路板的內層導體（孔到孔、孔到線、線到線）間形成了從陽極向陰極生長的金屬鹽沉積產物，兩個本來應該絕緣的導體間形成了電通道，產生短路，造成了絕緣劣化[6]。
4 失效案例分析
4.1 表面腐蝕和離子遷移失效案例分析
失效PCB實物如圖1所示，左邊(A)、中間(B)和右邊(C)經安裝後連接機殼接地，在使用過程中出現與數字地(GND)阻抗不一致，數字地(GND)和左邊(A)機殼地之間的阻值在40MΩ~60MΩ左右，而GND與右邊(C)和中間(B)機殼地之間的阻抗在無窮大。即A點機殼的網路和數字地網間存在絕緣電阻下降的現象。
查詢該PCB設計文件，分析A、B、C三者網路和數字地網路的相對位置。從絕緣間距角度而言，A網路間距最小（如下表所示），發生絕緣劣化的可能性高於其他兩個網路，這跟實際發生的絕緣電阻下降現象吻合。
對位於表層的A網路與數字地網路最小間距點外觀進行觀察，結果如下表所示：
對失效板的A網路與數字地網路間進行帶電的濕熱老化絕緣加速劣化試驗，試驗條件為：85℃*85%RH，偏壓100V DC。相關試驗數據如圖2所示：
如圖6所示，經過20h試驗後，試驗網路間絕緣阻抗有所下降，最終阻抗約為7.07MΩ，低於500MΩ要求。
對上述經過絕緣劣化試驗後的異常位置的微觀形貌和元素組成進行分析，相關分析數據如下表所示：
從上述SEM圖片明顯看出，絕緣劣化後，孔環金面存在被腐蝕現象：如局部放大圖所示，金面存在明顯多層結構，較亮的A區域經元素分析發現包含Au、Ni等元素；而灰色B區域經元素分析，主要包含Cu和少量的Ni，應為被腐蝕後露出的銅面。同時孔環和機殼地A網路金面間的C位置處分布著較多的雜物，經元素分析發現，主要包含Cu、Ni、Cl等元素，可能為腐蝕後產生的金屬離子遷移殘留物。
由此可推斷孔環表面的污染物具有一定的腐蝕性，在絕緣劣化試驗中高溫高濕環境和導體兩端的偏壓作用下，加速了電化學腐蝕作用，同時產生的金屬離子遷移作用降低了兩導體間的絕緣阻抗。下面通過絕緣加速劣化試驗來驗證相關推斷:
使用銑床將異常位置切除(處理後的失效板如圖3，再次進行帶電的濕熱老化絕緣劣化試驗，試驗條件為：85℃*85%RH，偏壓100V DC，並同時加入了B、C點對數字地阻值的測試，相關試驗數據如圖4所示：
如圖4所示， A點在切除異常位置後絕緣阻抗恢復正常，經過約20h的測試後未見阻值明顯下降，最終約3238MΩ。同期進行B、C點對地的測試也未見絕緣阻抗下降情況。
因此，可以分析得出由於該板面殘留的腐蝕性污染物，導致該板在使用過程中出現電化學腐蝕以及表面離子遷移的情況存在，最後造成了該板使用過程中絕緣阻抗下降的問題。
4.2 陽極導電絲（CAF）失效案例分析
常見的CAF失效模式有三種，即分別發生在孔到孔、孔到線、線到線之間的CAF失效（如圖5），其中孔到孔是最容易發生的失效，下面分析一款孔間CAF失效的案例。
失效樣品在試運行時R13與地網路之間出現微短（如下圖6所示），需要進行微短原因分析。樣品外觀及貼片示意圖如下圖6所示：
如圖7所示，使用萬用表測試地網與R13間的阻值為1.446MΩ，確認該網路間發生微短。
對於發生微短的網路查詢CAM文件找到微短的網路的連接方式，如下表所示：
如上表所示，已標識出①號網路、②號網路以及③號網路，其中①號網路為R13網路，下文中使用①號網路表示R13網路，②號網路與③號網路為R13附近的網路；①號網路走向為：L1層焊盤→通孔1→L3層線路→通孔2→L4層焊盤；通過分析①號網路附近的網路連接，得出②號網路與地網連接，③號網路未與地網連接。
①號網路的通孔與②、③號網路的通孔間的孔壁間距都為0.38mm；由於貼裝器件後，其實際連接情況發生改變，實測發現③號網路同樣與地層之間發生了連接，無法確認產生微短現象的來源，③號網路的連接方式如下圖8左圖所示：
採用人為破壞的方式，將③號網路的一側截斷，如圖8中的右圖所示，再將3個孔表面的阻焊及字元刮掉，測試3個孔之間的網路阻值，實測發現③號網路與①號網路通孔的阻值大於200MΩ，②號網路與①號網路通孔的阻值為1.432MΩ，因此可以得出①號網路與②號網路間發生了微短。
將發生微短的①號網路與②號網路間的相鄰的兩個通孔製作垂直切片，如圖9所示：
從圖9中清晰地觀察到①號網路與②號網路間相鄰的兩個通孔孔壁間存在明顯的金屬絲，該金屬絲已在兩個通孔之間形成通路，此為明顯的CAF情況。
因此，組裝後的PCB組件失效的原因為距離相近的兩通孔之間存在明顯的CAF現象，導致兩個網路間發生了微短。
5 總結
印製線路板的表面絕緣電阻和體積絕緣電阻的下降是引起印製線路板絕緣性能失效的主要原因，本文結合詳細案例分別討論了對應的失效模式，並且詳細地展示了具體案例分析過程。在由於絕緣電阻降低而導致PCB組件失效的分析過程中，關鍵在於分析失效樣品的線路和網路，採用適當的方法定位具體的失效點。再結合實驗驗證來確定的失效模式和機理。通過對兩個典型案例的詳細分析，加深了對常見絕緣性能失效模式的理解，為後續PCB及其組件的生產製造和失效分析提供參考和借鑒。
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