如何預防電子產品癌癥“CAF”的發生

如何預防電子產品癌癥“CAF"的發生

您的電子產品是否有過莫名其妙地遭遇短路，或者網絡間絕緣電阻降低故障卻始終找不到真因？

對此，可以先定一個能達到的小目標，比如說我先解決PCB的“CAF"問題:

PCB的“CAF"會導致電子產品的漏電短路故障或絕緣電阻降低，因此其失效是近年來十分熱門而又十分令電子行業從業人員苦惱的話題，那么:

“CAF"到底是什么?

它的形成原理是什么?

如何預防CAF的形成以保證PCB的可靠性?

帶著這些疑團，SKYAN將帶您一起揭開答案。

一、“CAF"是什么?

CAF是英文Conductive Anodic Filament的簡稱，譯為導電陽離子遷移、導電陽極絲或陽極性玻纖絲漏電。

CAF是一種陽極漏電現象，具體指PCB兩個絕緣網絡間由于吸濕作用吸附水分子后，加入電場時，陽極的金屬銅電離成銅離子，銅離子從陽極沿著玻纖微裂通道(玻纖與樹脂的界面)往陰極移動，并沿著玻纖與樹脂的界面形成一導電絲，此導電絲不斷增長、堆積析出金屬銅，當到達陰極時導致絕緣電阻迅速下降而引起的漏電行為。如下圖1和圖2所示:



圖1 CAF現象豎磨切片（側視圖）



圖2 CAF現象平磨切片（俯視圖）

二、CAF的形成原理

CAF的發生，將使導體間的絕緣性能下降，嚴重時會引起電路功能失效、電路短路等現象，嚴重影響產品的可靠性。最早由美國貝爾(Bell)實驗室和雷神(Raytheon)公司的科學家于1976年首先發現和確認。

CAF的形成是發生在玻纖束中的一種典型的電化學遷移(ECM，Electro-Cchemical Migration)現象。ECM和CAF類似，按IPC-9201(表面絕緣電阻手冊)的說法，此過程是由于電路板或組裝板長期處于高溫高濕的惡劣環境中，相鄰導體間在出現偏壓(Bias)的情況下，會逐漸發生金屬離子的遷移，并在板面上出現樹枝鹽類生長的痕跡(Dendrites),稱為電化學遷移(ECM)。

從狹義理解來看二者的區別:CAF發生在PCB內部，而ECM發生在PCB表面;CAF呈金屬絲狀，而ECM呈樹枝狀。從廣義理解來看，其實CAF就是一種典型的ECM行為。CAF發生的陰陽極電極主反應式如下:



圖3 CAF的形成原理圖（銅離子遷移）

CAF失效的位置一般有以下4種，如下圖4所示

①孔與孔;

②孔與線;

③線與線;

④層與層。



圖4 CAF失效的位置

其中最常見和最容易發生的位置是孔與孔間的CAF失效。

三、高密小型化的PCB設計為CAF的產生創造了條件

隨著集成電路和微電子技術的飛速發展，電子產品的體積越來越小已成為不可阻擋的時代潮流，PCB也向著高密小型化方向發展，如數碼相機主板、車載電子設備主板、手機板、電腦筆記本板、通信板等。

密集的電路布線使得PCB的孔間距、線間距、厚度越來越小，無論是多層板的層數和通孔的孔徑，還是布線密度和線間距都趨向于微細化。相鄰導體間距的縮短，為PCB中CAF的發生創造了有利條件，因銅離子遷移導致PCB絕緣性能降低，嚴重時引起線路間短路子，以致于燒毀電器甚至引起火災事故也時有發生。

CAF一旦“埋伏"，就如同PCB患了“癌癥"一般，難以治愈。而且在PCB與PCBA的制程中非常難以發現“潛伏期"很長，直到終端產品投入使用后才出故障，這也是令PCB制造商寢食難安的重要原因可以說:CAF就如同PCB制造商的噩夢般縈繞心頭，十分痛苦，常常造成產品報廢的同時還須忍痛賠款。

電子產品因PCB發生CAF失效而導致產品報廢，終端客戶和集成商向PCB制造商巨額索賠的案例頻頻發生。下面向大家介紹一個手機主板客戶的例子:

某手機主板在客戶使用不久后出現了故障，表現為X1、X2、X3號按鍵出現自動撥號的現象。通過電路原理圖分析與診斷，發現該現象是由于這幾個按鍵相連的過孔與相鄰的另一個埋孔相連的一個電阻(R102)的信號干擾引起。

通過絕緣電阻測試發現，該電阻相連的金屬化埋孔與這幾個按鍵相連的過孔之間的絕緣電阻已經明顯下降(位置見圖5):



圖5 電路原理圖分析發現電阻下降的區域

然后對該故障點進行縱向豎磨切片分析，結果發現了導致絕緣電阻下降的根本原因是PCB內相鄰的金屬化孔之間發生了CAF現象(見圖6：）



圖6 絕緣電阻下降區域切片發現的CAF

四、如何預防CAF的形成

在高密度布線、密集布孔的產品上，如何預防CAF的形成，生產出高可靠性的PCB，保證其在整個壽命周期內的絕緣性能，已經成為越來越多的PCB制造商高度關注的問題之一，這對覆銅板的電氣絕緣性能、PCB的生產工藝都提出了更高的要求。

從CAF的形成過程來看，CAF的形成必須同時具備5個基本條件:

(1)銅;

(2)水汽;

(3)電解質(導電的雜質離子物質);

(4)偏壓(Bias);

(5)可供離子遷移的通道,

當玻纖束兩端在工作中出現偏壓(Bias),高壓陽十分的金屬銅在水汽中會首先出現腐蝕而氧化生成銅離子(Cu*或Cu2+),在電解質(導電的雜質離子，如板材樹脂中殘留的氯離子C1、電鍍藥水殘留在孔壁玻纖束中的硫酸根離子S0。)存在的條件下，銅鹽會沿著通道(玻纖裂紋)緩慢向另一端陰極進行遷移。同時陰十分的電子也會往陽極移動，于是兩者相遇后即可還原出金屬銅的沉積，最后完成兩端的連通，即出現漏電短路的問題了，這就是銅離子遷移的過程。一旦出現短路則導電陽極絲因過高的發熱而又可能將CAF燒斷，只要潛在因素尚未消除，不久還會再次失效，如此周而復始成了不能除的“癌癥"。

從PCB和PCBA制程及產品使用環境來看，上述前4個條件幾乎很難避免，只有第5個條件則可由孔距的設計、板材的選擇和制造工藝(耐CAF板材、玻纖布的選擇、玻璃布與樹脂的浸潤程度)、PCB的鉆孔參數控制及鉆頭的選用、適當的去鉆污(Desmear)及生產環境(潮濕和離子污染)等方面進行預防控制。

CAF的預防是一門綜合性課題，具體包括PCB設計(如孔與孔間距、孔與線間距設計)、板材的生產工藝(如樹脂固化劑的選擇和配方、樹脂中雜質離子的控制、樹脂的耐熱性、玻纖布的開纖程度、銅箔銅牙長度等)、PCB的制造工藝(層壓壓板時高溫壓合程式特別是高溫段的固化溫度和固化時間、鉆孔參數如進刀量和總偏轉控制及鉆頭的選擇以管控孔壁粗糙度和玻纖裂紋長度、去鉆污參數以管控芯吸(Wicking)長度)、PCBA焊接和使用過程的影響(如長期處于潮濕環境中)等，這些過程環環相扣密不可分。