PCB绝缘性能失效分析

1.引言：

随着微电子技术的高速发展，特别是近年封装基板及其元件的飞速发展，电子产品的体积越来越小，PCB也向更轻、薄、短、小发展。在整个集成电路模块向高密度、微小化发展趋势下，PCB相邻导体和元器件之间的绝缘性能受到越来越多的关注。如何在如此微细的产品上，保证其在整个寿命周期内的绝缘性能，是业内所有PCB制造商所面临的问题之一[1]。

印制线路板的定义是按照预先设计的电路，采用印刷法，在绝缘基板的表面或其内部形成的用于元器件之间连接的导电图形技术。即印制线路板的功能主要是实现组装目标元器件的电气互联导通和绝缘。要实现PCB组件固定的功能，其上的线路和元器件间的互相绝缘性能尤为重要。线路间的绝缘性能可靠性不佳，会直接导致组装的器件不能正常运转，严重的甚至出现安全事故。因此本文将主要针对PCB及其组件的绝缘性能方面失效的几种模式结合具体案例进行分析，以供同行参考、借鉴。

2.绝缘电阻

绝缘电阻是PCB绝缘性能的一个重要且容易表征的指标。通过绝缘电阻的表征，可以检查元件设备的绝缘状态是否良好[2]。绝缘电阻是施加于电气绝缘材料上两导体之间的直流电压与流过绝缘体的泄露电流（稳态）之比，即：

式（1）中：

R表示绝缘电阻（Ω）；

U表示直流电压（V）；

I表示泄漏电流（A）。

绝缘电阻又由体积电阻和表面电阻两部分并联组成。如下式：

式（2）中：

RV表示体积电阻，即施加于绝缘体上两导体之间的直流电压与流过绝缘体的内部泄漏电流之比；

RS表示表面电阻，即施加于绝缘体上两导体之间的直流电压与流过绝缘体的表面泄漏电流之比。

对于印制线路板及其组件在绝缘性能方面出现失效，往往是由于种种原因导致了其中的绝缘电阻下降造成的。影响绝缘电阻的因素有温度、湿度、电场强度以及样品处理等，最后导致绝缘电阻下降，产品失效往往是以上几个因素共同作用的结果[3]。具体来讲，分为以下几个方面：温度的升高增加了微观粒子的活化能，提高了其在绝缘体内部和表面的迁移速率，降低了体电阻率和面电阻率；湿度的增加提供了不良副反应（如铜离子水解等）发生的有利环境；电场强度提供了微观粒子运动的驱动力。从对于绝缘电阻的理解引申出来，PCB板绝缘性能失效通常可能发生在PCB的表面或者体内（即表面电阻或者体积电阻过小），在表面表现为电化学迁移（ECM或离子污染），在材料内部则主要表现为阳极导电丝（CAF）。

3.   2种PCB绝缘失效模式

通过对绝缘电阻的理解，PCB及其组件对于绝缘性能失效的失效模式可以对应于两种绝缘电阻减小方式，即表面电阻降低和体积电阻降低：

（一）表面腐蚀和离子迁移失效模式——表面绝缘电阻降低

现代电子组件中，对于集成电路除了连接引线外均实施封装，而PCB上(包括插接连接部位电路)各种线路的交错连接，多种材料的同时使用；众多的焊点和残留污染物，使得PCB在大气环境下最容易遭受腐蚀。由腐蚀引起的电化学迁移是电子产品特别是PCB和微电子器件失效最主要的原因[4]。

电化学迁移包括阳极溶解、离子迁移、金属离子的还原沉积或电场作用下导电性金属盐定向聚集等过程。即使工作电压只有几伏特，但由于高集成度，PCB上相邻线路间的电场强度也可达102一103 V /cm。产品在使用环境中的污染物（尤其是氯化物）、尘埃、温度和相对湿度等因素会加速PCB表面的腐蚀过程发生[5]。目前已有较多的文献对于电子系统腐蚀问题进行了相关研究，并较深入地探讨了温度、湿度和污染物对电子材料腐蚀行为影响。

（二）阳极导电丝（CAF）失效模式——体积绝缘电阻降低

CAF现象于1976年首次由贝尔实验室发现，公认的成因是铜离子的电化学迁移伴随着铜盐的沉积。CAF的产生通常与机械钻孔有关，激光钻孔则不存在这一问题。PCB板内部玻璃纤维和环氧树脂结合处受到物理破坏，在一定湿度环境里吸潮，形成了电化学迁移的通道，金属盐在玻璃纤维和树脂间的界面发生迁移；在导体两端施加直流偏压时，与直流电源的正极相连的导体为阳极，与负极相连的导体为阴极，分别在两极发生以下反应：

最终在印制线路板的内层导体（孔到孔、孔到线、线到线）间形成了从阳极向阴极生长的金属盐沉积产物，两个本来应该绝缘的导体间形成了电通道，产生短路，造成了绝缘劣化[6]。

4.失效案例分析：

4.1  表面腐蚀和离子迁移失效案例分析

失效PCB实物如图1所示，左边(A)、中间(B)和右边(C)经安装后连接机壳接地，在使用过程中出现与数字地(GND)阻抗不一致，数字地(GND)和左边(A)机壳地之间的阻值在40MΩ~60MΩ左右，而GND与右边(C)和中间(B)机壳地之间的阻抗在无穷大。即A点机壳的网络和数字地网间存在绝缘电阻下降的现象。

查询该PCB设计文件，分析A、B、C三者网络和数字地网络的相对位置。从绝缘间距角度而言，A网络间距最小（如下表所示），发生绝缘劣化的可能性高于其他两个网络，这跟实际发生的绝缘电阻下降现象吻合。

对位于表层的A网络与数字地网络最小间距点外观进行观察，结果如下表所示：

对失效板的A网络与数字地网络间进行带电的湿热老化绝缘加速劣化试验，试验条件为：85℃*85%RH，偏压100V DC。相关试验数据如图2所示：

如图6所示，经过20h试验后，试验网络间绝缘阻抗有所下降，最终阻抗约为7.07MΩ，低于500MΩ要求。

对上述经过绝缘劣化试验后的异常位置的微观形貌和元素组成进行分析，相关分析数据如下表所示：

从上述SEM图片明显看出，绝缘劣化后，孔环金面存在被腐蚀现象：如局部放大图所示，金面存在明显多层结构，较亮的A区域经元素分析发现包含Au、Ni等元素；而灰色B区域经元素分析，主要包含Cu和少量的Ni，应为被腐蚀后露出的铜面。同时孔环和机壳地A网络金面间的C位置处分布着较多的杂物，经元素分析发现，主要包含Cu、Ni、Cl等元素，可能为腐蚀后产生的金属离子迁移残留物。

由此可推断孔环表面的污染物具有一定的腐蚀性，在绝缘劣化试验中高温高湿环境和导体两端的偏压作用下，加速了电化学腐蚀作用，同时产生的金属离子迁移作用降低了两导体间的绝缘阻抗。

下面通过绝缘加速劣化试验来验证相关推断:

使用铣床将异常位置切除(处理后的失效板如图3，再次进行带电的湿热老化绝缘劣化试验，试验条件为：85℃*85%RH，偏压100V DC，并同时加入了B、C点对数字地阻值的测试，相关试验数据如图4所示：

如图4所示， A点在切除异常位置后绝缘阻抗恢复正常，经过约20h的测试后未见阻值明显下降，最终约3238MΩ。同期进行B、C点对地的测试也未见绝缘阻抗下降情况。

因此，可以分析得出由于该板面残留的腐蚀性污染物，导致该板在使用过程中出现电化学腐蚀以及表面离子迁移的情况存在，最后造成了该板使用过程中绝缘阻抗下降的问题。

4.2 阳极导电丝（CAF）失效案例分析

常见的CAF失效模式有三种，即分别发生在孔到孔、孔到线、线到线之间的CAF失效（如图5），其中孔到孔是最容易发生的失效，下面分析一款孔间CAF失效的案例。

失效样品在试运行时R13与地网络之间出现微短（如下图6所示），需要进行微短原因分析。样品外观及贴片示意图如下图6所示：

如图7所示，使用万用表测试地网与R13间的阻值为1.446MΩ，确认该网络间发生微短。

对于发生微短的网络查询CAM文件找到微短的网络的连接方式，如下表所示：

如上表所示，已标识出①号网络、②号网络以及③号网络，其中①号网络为R13网络，下文中使用①号网络表示R13网络，②号网络与③号网络为R13附近的网络；①号网络走向为：L1层焊盘→通孔1→L3层线路→通孔2→L4层焊盘；通过分析①号网络附近的网络连接，得出②号网络与地网连接，③号网络未与地网连接。

①号网络的通孔与②、③号网络的通孔间的孔壁间距都为0.38mm；由于贴装器件后，其实际连接情况发生改变，实测发现③号网络同样与地层之间发生了连接，无法确认产生微短现象的来源，③号网络的连接方式如下图8左图所示：

采用人为破坏的方式，将③号网络的一侧截断，如图8中的右图所示，再将3个孔表面的阻焊及字符刮掉，测试3个孔之间的网络阻值，实测发现③号网络与①号网络通孔的阻值大于200MΩ，②号网络与①号网络通孔的阻值为1.432MΩ，因此可以得出①号网络与②号网络间发生了微短。

将发生微短的①号网络与②号网络间的相邻的两个通孔制作垂直切片，如图9所示：

从图9中清晰地观察到①号网络与②号网络间相邻的两个通孔孔壁间存在明显的金属丝，该金属丝已在两个通孔之间形成通路，此为明显的CAF情况。

因此，组装后的PCB组件失效的原因为距离相近的两通孔之间存在明显的CAF现象，导致两个网络间发生了微短。

5.总结：

印制线路板的表面绝缘电阻和体积绝缘电阻的下降是引起印制线路板绝缘性能失效的主要原因，本文结合详细案例分别讨论了对应的失效模式，并且详细地展示了具体案例分析过程。在由于绝缘电阻降低而导致PCB组件失效的分析过程中，关键在于分析失效样品的线路和网络，采用适当的方法定位具体的失效点。再结合实验验证来确定的失效模式和机理。通过对两个典型案例的详细分析，加深了对常见绝缘性能失效模式的理解，为后续PCB及其组件的生产制造和失效分析提供参考和借鉴。