在现代电子设备日益小型化、高集成化的趋势下，多层印制线路板作为电子产品的“骨架”，其可靠性显得尤为重要。然而，随着布线密度的不断提升，一种“隐形杀手”——导电阳极丝（CAF, Conductive Anodic Filament）——正日益威胁着多层印制线路板的长期稳定运行。CAF导致的绝缘退化，可能引发短路，严重影响电子产品的性能和寿命。

本文将基于ESPEC公司的一项前沿研究，深入探讨多层印制线路板的CAF抗性评估，揭示CAF的形成机制及其对绝缘性能的影响。 

什么是CAF？为何它如此重要？

离子迁移是导致绝缘退化的主要现象之一，它指的是金属离子在绝缘材料表面或内部迁移，最终导致短路。CAF正是离子迁移的一种特殊形式，它在高湿度和高电压梯度的严苛条件下形成，由铜盐组成的丝状物沿着环氧树脂/玻璃纤维界面，从阳极向阴极生长。由于CAF通常在多层印制线路板内部形成，其发生和生长的具体机理一直难以完全阐明，这也使得对其抗性的评估和预防成为行业内的重要课题。

近年来，CAF抗性评估的标准化趋势日益明显，例如IPC协会在2003年就发布了相关测试标准，这都凸显了CAF问题在电子制造领域日益增长的重要性。

研究方法：严谨的实验设计

为了深入理解CAF的形成与绝缘退化之间的关系，研究人员精心设计了一系列实验。他们制造了易于识别绝缘退化部位的多层印制线路板样品，并通过系统性地改变温湿度条件、多层印制线路板材料类型、通孔壁间距以及通孔直径等关键参数，来模拟不同的工作环境和设计变量。

PCB的测试pattern和截面图示意如下所示：

测试设备包括台式温湿度箱、高加速应力测试系统（HAST箱）和离子迁移评估系统，确保了测试环境的精确控制。

在整个测试过程中，研究人员持续监测多层印制线路板的绝缘电阻变化，并在测试结束后，对疑似绝缘退化部位进行精细的显微镜观察和元素分析，以捕捉CAF形成的微观证据。 

关键发现：CAF的动态行为与影响因素

1. 绝缘电阻的“反复挣扎”

研究发现，在CAF形成过程中，多层印制线路板的绝缘电阻表现出一种独特的动态行为：它会反复暂时下降，然后又恢复，如此循环。这种现象被推测是由于CAF的细微丝状结构在生长过程中，可能发生反复的断裂和连接，导致绝缘性能的波动。

2. 温度加速效应与材料选择

a）温度加速：在60°C、85°C和110°C（均为85%rh）的条件下，多层印制线路板的失效模式相似。然而，在更为严苛的120°C/85%rh条件下，失效模式出现显著差异，这表明极高温度可能引入了其他失效机制，或对材料造成了过度损伤/引入了其他失效机制。

b）多层印制线路板材料：不同多层印制线路板材料对CAF的抗性表现出明显差异。例如，无卤素的多层印制线路板B型展现出最长的失效时间，而多层印制线路板C型的失效时间则相对较短。

值得注意的是，研究并未发现吸湿率与CAF失效时间之间存在直接相关性，这提示我们不能仅仅依靠吸湿特性来判断多层印制线路板的CAF抗性。影响CAF抗性的因素更为复杂，可能包括内层助焊剂残留、钻孔对通孔壁的损伤以及环氧树脂与玻璃纤维之间的界面结合质量等。

3. 通孔设计的影响

a）通孔壁间距：研究明确指出，通孔壁间距越小，多层印制线路板的失效时间越短，这强调了在设计高密度多层印制线路板时，通孔间距对CAF抗性的关键影响。

b）通孔直径：不同通孔直径对CAF抗性的影响不明显，数据一致性有待进一步研究。

微观观察：CAF的“真面目”

通过高倍金相显微镜观察和电子显微镜（含EDS）的铜元素映射分析，研究人员得以一窥CAF的微观结构。

a）CAF的生长路径：测试后的样品显示，疑似CAF的物质主要沿着玻璃纤维生长，这与CAF的定义相符。但在某些情况下，绝缘退化也可能发生在芯材和预浸料片（用于粘合芯材层的粘合片）之间，表明CAF的形成并非单一路径。

b）CAF的形态与绝缘性能：绝缘电阻较低的样品中，观察到CAF的直径更粗。这暗示着CAF在连接阳极和阴极后，其“丝状”结构可能变得更加致密，从而导致绝缘性能的急剧下降。

c）“潜伏期”的CAF：令人警醒的是，即使在测试结束时被判定为“无缺陷”的样品中，也发现了CAF的存在。这表明CAF可能在绝缘电阻尚未显著下降之前就已经开始形成，如同一个“定时炸弹”，随时可能引发失效。

结论

这项研究为我们理解多层多层印制线路板的CAF问题提供了宝贵的见解： 

1.CAF的形成是一个动态过程，伴随着绝缘电阻的反复波动。

2.多层印制线路板材料选择对CAF抗性具有显著影响。

3.CAF主要沿着玻璃纤维生长，但也可能在其他界面形成。

4.CAF可能在绝缘性能显著下降之前就已经“潜伏”在PWB内部。