高速光模块PCB的常见失效案例解析

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第五代移动通信（5G）技术已迈入商用化进程，其新型业务特性和更高指标要求对承载网络架构及各层技术方案均提出了新的挑战。光模块作为光电信号的转换器，是5G网络物理层的基础构成单元，也是光设备与光纤连接的核心器件，被广泛应用于无线及传输设备。5G前传、中回传对光模块提出了差异化要求，更高速率、更长距离、更宽温度范围和更低成本的新型光模块需求迫切。

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光通信模块产品所需原材料主要包括光器件、电路芯片、PCB以及结构件等。其中，高速PCB产品作为光通信模块封装的电路载体，常见的有25G、40G、100G、400G等，如图1所示。然而，高速模块的设计和技术要求对PCB产品的可靠性带来了更高的挑战。

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（注：图片来源于网络）

图 1 常见的光模块PCB板

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结合光模块PCB的技术功能和产品特性可知，PCB上的金手指对应的是光模块的电接口，需具备耐插拔磨损、耐腐蚀等可靠性要求。PCB上的高速阻抗布线越来越密集，孔到导体的间距越来越小，大多产品也存在有多阶激光盲孔的HDI设计，以及新型高速板材的大量使用，这些特征会导致产品面临CAF失效、盲孔裂纹失效等可靠性风险。因此，本文对5G高速光模块PCB的常见可靠性失效案例进行简要解析。

（1）金手指的腐蚀失效

光模块PCB产品的金手指多采用电镀镍金+硬金或沉镍金+电硬金工艺，或是近年开始逐步使用的化学镍钯金金手指工艺生产制作，其耐插拔使用寿命、耐应用环境腐蚀（MFG、盐雾、酸雾、硫化等）需求最为突出，金手指常见失效模式包括尖端磨损腐蚀、表面腐蚀、末端腐蚀、侧壁腐蚀，如图2所示。

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图2 金手指的腐蚀失效模式

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金手指的尖端腐蚀失效多是由于在插拔过程中，尖端金层被磨损，金层致密性下降，导致腐蚀介质攻击内层的镍层和铜层等金属，造成金手指的腐蚀失效，如图3所示。

图3 金手指尖端腐蚀

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表面腐蚀失效多是由于金手指表层金面存在针孔、镀层空洞、金厚过薄，或是插拔过程造成金手指的表面磨损等情况，金层致密性不足，导致金手指耐腐蚀性能下降，最终造成腐蚀失效，如图4所示。

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图4 金手指表面腐蚀失效

金手指末端的阻焊层存在裂纹或阻焊与线路之间存在缝隙等原因，造成腐蚀性介质渗入而发生腐蚀失效。侧壁腐蚀失效多是由于金层与基材结合不致密，导致腐蚀性介质容易渗透，腐蚀内层的镍层和铜层。例如，在对金手指进行硝酸蒸汽孔隙率测试过程中，发生腐蚀失效，经分析发现，腐蚀性气体从侧面进入，腐蚀铜层，如图5所示。  

图5 金手指末端腐蚀和侧壁腐蚀失效

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（2）CAF失效

CAF(导电阳极丝ConductiveAnodic Filament) ，CAF失效主要是由于内层玻纤与树脂间出现缝隙或者玻纤内部存在空心从而形成离子迁移通道，产品在后期使用过程中的湿热条件下，受导体间电势差作用，铜离子沿着通道迁移并沉积形成导电丝，从而导致绝缘不良，甚至发送短路、烧板等失效现象。产生CAF有三个先决条件：①一定的温、湿度条件；②两绝缘导体间存在电势差；③有供铜离子迁移的通道。

对于高速光模块PCB产品而言，导致CAF形成的因素可能包括基板材料耐CAF能力弱、钻孔质量差以及PP片选用不当等。例如，某PCB板发生短路失效，电路分析后定位至两个相邻过孔，最终切片也证实了孔与孔之间发生CAF生长失效，进一步对CAF作垂直方向切片，发现玻纤内部存在空心现象，如图6所示。

图6 CAF失效切片图

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    目前主要通过优化设计、生产制程工艺、材料优选和测试条件等几个方面进行改善和预防CAF失效，以确保产品的品质及可靠性满足标准要求。

（3）激光盲孔失效

激光盲孔孔径小而孔数多的特点是实现高速光模块PCB板高布线密度的有效途径，因此，激光盲孔的可靠性直接决定到产品的可靠性。典型的HDI板激光盲孔结构设计如图7所示。

图7  HDI板典型盲孔结构图

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从业内现有的研究成果来看，激光盲孔的可靠性主要取决于生产制程工艺流程和介质层材料。一般来说，引起盲孔失效的常见原因包括：（1）盲孔孔铜与底层铜垫结合力不足导致盲孔底部裂纹；（2）盲孔局部铜厚不足、填孔异常或材料膨胀较大等原因，导致盲孔孔铜断裂。常见的盲孔失效模式有盲孔底部裂纹、孔口拐角处裂纹等。

图8  盲孔底部裂纹失效图

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    随着近几年高速光模块PCB产业的快速发展，产品的品质缺陷和可靠性失效等问题不容忽视。因此，如何有效的预估产品可靠性寿命，快速的定位和查找失效根因，并提出优化改善方案显得尤为重要。

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金手指末端的阻焊层存在裂纹或阻焊与线路之间存在缝隙等原因，造成腐蚀性介质渗入而发生腐蚀失效

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激光盲孔的可靠性主要取决于生产制程工艺流程和介质层材料

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不错不错，很是美味和有料，值得期待，学习下