原创 可靠性第013篇 PCBA的绝缘失效——电化学迁移

    这篇分享对PCB电化学迁移（ECM, Electrochemical Migration）的学习。
    ECM发生在导体之间，是一种需要PCB通电才能持续的电化学反应，和电镀的原理相同。反应条件是：
    1. 有电场。存在电位差/电压降，一般来说电位差/电压降越大，电化学反应的速度越快。
    2. 有可溶性电解质和溶剂，这个和化学腐蚀机理相同。
    3. 有迁移通道。即电荷在导体之间借助电解液流动的路径。
    当可溶性电解质和溶剂组成的电解液接触到导体，在导体之间存在电压差的情况下，就立即发生ECM。

    根据ECM发生的位置不同，可以分为表面枝晶（Dendrite）和导电阳极丝（CAF, Conductive Anodic Filament）两种模式。表面枝晶发生在PCB表面，而CAF发生在PCB内层。 

    表面枝晶

    在PCB表面，两个导体在电解液环境下加电时，金属离子会在阳极形成并快速向阴极迁移，到达阴极之后会形成金属单质晶体，从阴极开始向阳极逐渐生长，形成枝晶。

    枝晶一旦连接到阳极导体便会造成短路。初期枝晶的直径小，绝缘电阻较大，一般在MOhm级别。枝晶在连接阴阳极的一瞬间会因为电流骤增而熔断。但随着生成的导电枝晶增多，绝缘电阻会逐渐下降，严重时可以下降到100Ohm，造成短路，甚至发生烧板。

    （图来自Ref 2）

    导电阳极丝（CAF）
    

    目前公认的CAF成因是铜离子的ECM伴随铜盐的沉积。

    实践中，CAF多发于金属化孔（PTH, Plated Through Hole）之间，这是因为虽然PTH周围有环氧树脂包裹，但是在加工孔的时候，钻头容易撕开环氧树脂和玻璃纤维的粘合界面。这个界面在遇到水蒸气时很容易发生黏合剂（硅烷偶联剂）水解，“无中生有”地形成迁移通道。

    

    （图来自Ref 1）

    在高温高湿条件下，环氧树脂-玻璃纤维之间的硅烷偶联剂水解，二者黏合力弱化，树脂和玻纤分离并形成铜离子迁移通道。此时如果两个绝缘孔之间有电势差，那么电势较高的阳极上的铜会氧化成铜离子，在电场作用下向电势较低的一端迁移，在迁移过程中与板材中的杂质离子或氢氧根离子结合，生成不溶性的盐并沉积，同时“加固”迁移通道。

    （图来自Ref 1）

    CAF和表面枝晶有相同点。枝晶一旦连接到阳极导体便会造成短路。初期枝晶的直径小，绝缘电阻较大，一般在MOhm级别。枝晶在连接阴阳极的一瞬间会因为电流骤增而熔断。

    

    （图来自Ref 2）

    （图来自Ref 1）

   

    表层枝晶和CAF的区别在于生长速度和方向。CAF生长比表面枝晶显著慢，且从电势较高的一侧（阳极）指向电势较低的一侧（阴极）。

    我认为，PCB设计时可以用简单的做法来降低CAF风险。

    1. 不要追求小孔，厚径比保持在8:1和5:1范围为佳。对应IPC-2222定义的可制造水平 Level A 和 Level B。

    2. 不要密集扇出，扇出时保持孔之间的距离。

Ref:

    1. Bhanu Sood. PCB Quality Metrics that Drive Reliability. 2021

    2. 周波等.PCB失效分析技术.科学出版社.2020