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PCB可靠性設(shè)計:導(dǎo)電陽極絲(CAF)的形成與改善

2024.05.09

CAF引起的故障現(xiàn)象

導(dǎo)電陽極絲(CAF,Conductive Anodic Filamentation)是一種在PCB中可能發(fā)生的電化學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)PCB處于高溫高濕環(huán)境時,在電壓差的作用下,內(nèi)部的金屬離子沿著玻纖絲間的微裂通道與金屬鹽發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),從而發(fā)生漏電的現(xiàn)象。


如下圖,兩條線路、線路與導(dǎo)通孔、導(dǎo)通孔與導(dǎo)通孔之間都會產(chǎn)生CAF現(xiàn)象。隨著線路密度的增加,線路之間的間距減小,孔密度的增加,CAF通道產(chǎn)生的路徑變短,CAF現(xiàn)象也變成在做PCB可靠性設(shè)計時需要考慮的一個重要因素。


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CAF現(xiàn)象發(fā)生的模式


CAF可能導(dǎo)致PCB出現(xiàn)的故障現(xiàn)象如下:

絕緣電阻下降:由于銅離子遷移形成導(dǎo)電通路,相鄰導(dǎo)體之間的絕緣電阻會顯著下降。

漏電流增加:由于電流可能會繞過設(shè)計的路徑,因而漏電流會增加。

電路短路:濕熱環(huán)境會加速CAF的產(chǎn)生,在極端情況下,可能導(dǎo)致線路之間形成短路。

電壓異常:漏電流達到一定程度之后,會導(dǎo)致電路出現(xiàn)電壓降低的現(xiàn)象,導(dǎo)致元器件工作異常。


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CAF導(dǎo)致短路


CAF的形成機理


CAF形成的前提:縫隙

在玻璃纖維增強材料中,樹脂和玻璃纖維絲之間的間隙是最常見的CAF形成的路徑。例如在覆銅板(CCL)含浸的過程中PP中殘留氣泡較多,壓合過程中流膠過大都會形成縫隙,在PCB加工時鉆孔參數(shù)不當(dāng)或鉆針研磨次數(shù)太多,導(dǎo)致孔壁表面凹凸起伏大。都會產(chǎn)生間隙,成為CAF形成的通道。


CAF形成的條件:金屬離子和電壓差

電化學(xué)反應(yīng)的前提是水和電解質(zhì),電勢差會加快電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的速度。在形成CAF的第一階段,在縫隙中存在水分和金屬鹽,在高溫高濕環(huán)境下,會加劇CAF的形成。當(dāng)板子通電工作之后,在電勢差的作用下,電化學(xué)反應(yīng)加速,這時會產(chǎn)生第二階段的CAF增長。


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形成CAF的電化學(xué)反應(yīng)


基材的吸水率越高,PH值越低,越容易發(fā)生CAF。 板子在測試的時候,溫濕度越高,吸附的水分越多,電壓越高,加快電化學(xué)反應(yīng),CAF生長得越快。


CAF的改善

改善CAF最根本的措施是破壞電化學(xué)發(fā)生的條件,改善思路是讓玻璃纖維與樹脂致密結(jié)合降低縫隙出現(xiàn)的概率。同時降低樹脂的吸水率,避免縫隙中出現(xiàn)水汽,提高材料的耐CAF能力。


改善PCB板材

樹脂:使用高純度環(huán)氧樹脂,降低樹脂的吸水性,提高樹脂的耐熱性能,降低在無鉛焊接的過程中,樹脂分解導(dǎo)致板材出現(xiàn)縫隙的可能性。

玻纖布:樹脂與玻纖布的結(jié)合越充分,板材的耐CAF能力越強,優(yōu)先選擇開纖程度較好的玻纖布。

銅箔:銅箔的銅牙太長或不均勻,均會增加發(fā)生CAF的可能性,優(yōu)先選取銅牙均勻的銅箔。


改善PCB加工過程

壓合:壓合流膠過大或板邊白化會影響材料的耐CAF性能,需要根據(jù)板材和壓合結(jié)構(gòu)選擇合適的壓合程序。

鉆孔:鉆頭入刀過快或者鉆頭磨損嚴重會導(dǎo)致過孔加工后表面凹凸起伏大,后續(xù)在化學(xué)濕制程中,表面凹陷處易聚集或包覆金屬鹽類溶液,滲入細微裂縫中,導(dǎo)致出現(xiàn)CAF問題。鉆孔時需選擇合適的鉆孔參數(shù)和較新的鉆頭,確保鉆孔的質(zhì)量。

除膠渣:殘留膠渣會影響電鍍的質(zhì)量,增加CAF失效的幾率。

雜質(zhì)污染:PCB加工過程中如果有金屬鹽類殘留在板面上,吸潮便會形成CAF問題。因此加工過程需避免殘銅并充分清潔。



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