目錄
- What is ECM/SIR?
- What is CAF?
- ECM/SIR與CAF的共同點與差異點
- ECM/SIR與CAF的重要性
- ECM/SIR/CAF的原理
- 離子遷移（ECM/SIR/CAF)的要因分析與解決方案
- ECM/SIR/CAF失效案例分析
- ECM/SIR/CAF test coupon 設計方案
- End
What is ECM/SIR?
ECM: Electro Chemical Migration,電化學遷移;
按IPC-9201 (表面絕緣電阻手冊)的說法,是當完成電路板或組裝板,長久高溫高濕之惡劣環境中,且其相鄰導體間會出現偏壓(Bias)的情況下,會逐漸發生金屬離子性物體的遷移，并在板面上出現樹枝鹽類生長的痕跡者 (Dendrites),稱為ECM;
SIR: Surface Insulation Resistance,表面絕緣電阻;
SIR是通過測試表面絕緣電阻的方法來監控ECM電化學遷移的發生程度；
通常我們習慣講的SIR，即為ECM測試；
What is CAF?
CAF：Conductive Anodic Filament 導電性陽極絲，即玻纖紗束漏電；
ECM是發生在板面上，其樹枝狀可目視觀察得到。CAF是電路板鍍孔后相鄰的通孔銅壁間在惡劣的環境中，而出現銅離子沿著玻纖發生緩慢遷移的行為, 進而出現漏電，則只發生在玻纖束中，通常很難察覺到真相，微切片是比較可行的方法。
ECM/SIR與CAF的共同點與差異
共同點：
- 從產生的原因看：
- CAF與ECM/SIR都是一個電化學過程；
- 從產生的條件來看（都需要符合下面3個條件）：
- 電解液環境，即濕度與離子（Electrolyte – humidity and ionic species）；
- 施加偏壓（Voltage bias – Force that drives the reaction）; ·
- 存在離子遷移的通道意味著玻纖與樹脂的結合間存在缺陷，或線與線間存在雜物等；（“Pathway” – A way for the ions to move from the anode to the cathode；The pathway is along the glass fibers when the resin impregnation to the glass fibers have defects）；
- 加劇其產生的條件類似：
- 高濕環境（High humidity rate）；
- 高電壓（Higher Voltage levels）；
- 高溫環境（Higher temperature）；
- 從監控的方式看：
- 都是通過監控其絕緣阻值變化作為最重要的判斷指標；
故很多汽車行業或實驗室已習慣上把ECM/SIR從廣義上定義 為CAF的一種（線與線之間的表面CAF）。
差異點：
- 從產生的原因看：
- ECM/SIR是在PCB的表面產生金屬離子的遷移；而CAF 是發生在PCB的內部出現銅離子沿著玻纖發生緩慢遷移, 進而出現漏電；
- 從產生的現象看：
- ECM/SIR會在導體間出現枝丫狀(Dendrite)物質；而CAF則是出現在孔~孔、線~線、層~層、孔~線間，出現陽極金屬絲；
- 從監控的方式看（除阻值監控外）：
- ECM/SIR可以通過放大鏡進行直觀的判斷；而CAF只能通過破壞性的切片進行微觀條件下的分析；
ECM/SIR與CAF的重要性
由于介電層變薄、線路及孔距變密是高密度電子產品的特性，而大多數的高階電子產品也需要較高的信賴度，故越來越多的產品被要求進行ECM/SIR/CAF測試，如航空產品、汽車產品、醫療產品、服務器等，以確保產品在相對惡劣的使用條件下的壽命與可靠性；
離子遷移既然是絕緣信賴度的殺手，因此高密度電子產品都十分在乎及重視材料的吸水性及水中不純物的控管，因為這些正是離子遷移的重要元兇。例如：加水分解性氯、電鍍液中的鹽類、銅皮表面處理物、防焊漆的添加物……等等。一旦疏忽了這些控管，導致ECM或CAF的生成，便會造成產品在使用壽命及電性功能上的障礙；
藉著控制鹵素及金屬鹽類的含量、銅皮上的鉻含量、樹脂中的氯含量、表面清潔度（防焊前處理），這些對絕緣劣化影響很大的項目，可以大幅提升高密度電路板的信賴性。
ECM/SIR/CAF的原理
離子遷移的兩大階段
離子遷移發生的主因是樹脂與玻纖之間的附著力不足，或含浸時親膠性不良，兩者之間一旦出現間隙（Gap）后，又在偏壓驅動之下，使得銅鹽獲得可移動的路徑后，于是CAF就進一步形成了。
- 離子遷移的發生可分為兩階段：
- STEP l 是高溫高濕的影響下，使得樹脂與玻纖之間的附著力出現劣化，并促成玻纖表面硅烷處理層產生水解，進而形成了對銅金屬腐蝕的環境。
- STEP 2 則已出現了銅腐蝕的水解反應，并形成了銅鹽的沉積物，已到達不可逆反應，其反應式如下：
離子遷移的圖示
離子遷移（ECM/SIR/CAF)的要因分析與解決方案
- 從設計方面：
- 越小的距離（孔~孔、線~線、層~層、孔~線間）越易造成離子遷移現象；
解決方案：結合制程能力與材料能力，優化設計方案；（當然重點還是必須符合客戶要求）
- 玻纖紗束與孔排列的方向；紗束與孔的方向一致時，會造成離子遷移的可能性最大；
解決方案：盡可能避免或減少紗束與孔排列一致的可能性，但此項受客戶產品設計的制約；
- 產品的防濕保護設計；
解決方案：選擇最優的防濕設計，如涉及海運，建議采用PE袋或鋁箔袋包裝方式；
- 從材料方面：
- 樹脂與玻纖紗束之間結合力不足；
解決方案：優化CCL制作參數；選擇抗分層的材料 ;
- 填充空洞或樹脂奶油層不足；
解決方案：優化CCL制作參數；選擇抗分層的材料 ;
- 樹脂吸溫性差；
解決方案：膠片與基板中的硬化劑由Dicy改為PN以減少吸水；
- 樹脂與玻纖清潔度差（含離子成份）；
解決方案：使用Anti-CAF的材料；
- 銅箔銅芽較長，易造成離子遷移；
解決方案：選用Low profile copper foil；
- 從制程生產條件壓合：
- 壓合空洞；
解決方案：優化壓合作業參數；選擇含膠量合適的PP；
- 壓合分層;
解決方案：優化壓合程式；
- 從制程生產條件鉆孔：
- 鉆孔孔偏；
解決方案：優化鉆孔作業參數；選擇穩定佳的機臺鉆孔（CPK>=1.67)；使用Hole AOI進行品質監控；
- 密集孔區域鉆孔造成玻纖與樹脂間產生間隙（Gap);
解決方案：優化鉆孔程式；如下圖說明：
- 鉆孔粗糙度大易造成燈芯效應；
解決方案：優化鉆孔作業參數（降低疊板數，優化鉆孔程式等）；
- 從制程生產條件電鍍：
- 除膠渣過度造成燈芯效應；
解決方案：優化除膠渣參數；針對不同的基材使用不同的De-smear程式；
- 從制程生產條件其它：
- 表面清洗不凈（防焊前處理）；
解決方案：防焊前處理使用去離子水清潔（有條件時可以使用清洗劑）；監控板面離子污染度；
- 多次高溫處理；
解決方案：禁止防焊退洗重工；禁止噴錫重工；
ECM/SIR/CAF失效案例分析
- 案例A:
- 基板空洞；
可能原因：
- 密集孔區域鉆孔異常；
- 板材異常（含浸制程異常）；
- 多次重工（熱處理）；
- 板材吸濕；
解決方案：
- 優化鉆孔程式路徑；
- 要求基板廠商改善；進料進行熱應力測試；
- 禁止防焊退洗與噴錫制程重工；
- 包裝前烘烤；優化包裝方式；
- 案例B:
- 防焊下異物；
可能原因：
- 防焊前處理不潔；
- 蝕刻殘銅；
解決方案：
- 確認防焊前處理參數；依頻率更換防焊水洗槽；管控防焊無塵室清潔度；
- 確認外層與蝕刻參數；AOI100%檢驗；
- 案例C:
- 防焊下表面不潔導致ECM/SIR后出現樹枝狀電子遷移現象；
可能原因：
- 防焊前處理水洗不凈，導致殘留離子物質；
- 防焊固化不足；
解決方案：
- 確認防焊前處理水洗條件（使用去離子水，有條件時可以使用專用清潔劑效果更佳）；依頻率更換防焊水洗槽；管控防焊前板面離子污染度（控制在<0.3ugNacl/Sqcm)；
- 確認防焊曝光與烘烤條件；
ECM/SIR/CAF test coupon 設計方案
CAF structure design;
CAF stack-up design;
ECM/SIR test coupon:
- ECM/SIR一般會分印/不印防焊兩種test coupon進行測試；
End
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