理解并预防 PCB 导电阳极丝 (CAF) 失效
快速导航：
- 什么是导电阳极丝形成
- CAF 历史回顾
- 如何避免 CAF 失效
- 识别 CAF
- 导电阳极丝耐受测试
- Millennium Circuits Limited 提供的抗 CAF PCB 材料
导电阳极丝 (CAF) 失效是电子行业常见且日益受关注的问题。它可能导致灾难性失效模式：含铜导电盐在印制电路板 (PCB) 内部形成。这是一种沿环氧/玻璃界面从阳极向阴极亚表面生长的电化学迁移。电化学迁移是指导电金属丝在介电材料上生长的过程。
什么是导电阳极丝形成？
CAF 形成是指 CAF 生长的过程。CAF 形成被描述为两步过程：
- 首先，树脂-玻璃界面降解，据信可逆。
- 第二阶段，电化学迁移，不可逆。
CAF 失效指因 CAF 形成导致的电气失效。当 CAF 从阳极生长至阴极时发生失效。
CAF 形成需要以下条件：
- 电荷载体，使电化学电池形成。
- 水分，源于湿度与湿气积聚，溶解离子物质，维持其移动离子态。
- 导体附近的酸性环境，使阳极腐蚀成为可能。
- 电压偏置，驱动反应的力。
- 离子从阳极向阴极移动的路径。
许多其他因素被认为会加速形成过程，包括高温、高湿、反复热循环、阳极与阴极间高电压梯度、某些焊剂成分等。其他问题如元件失效、超过最大工作温度也可能导致 CAF 相关失效。
CAF 历史回顾
CAF 于 1976 年由贝尔实验室研究人员首次识别。早期研究测试不同 UV 固化树脂涂层，使用 FR-4 细线柔性印刷电路。也研究了进一步防失效变量，包括玻璃增强层数、覆盖层、环氧黄油层厚度。研究者发现可用对数正态图模拟失效时间，确定温度、湿度、偏压为加速因素，并描述了四种基板相关失效。
1979 年，研究者首用 “CAF” 称呼此类失效。该论文聚焦材料与导体取向与 CAF 形成的关系。同年引入两阶段模型。至今研究持续，测试湿度、温度、偏压、材料、导体取向等因素对形成的影响。
大多数研究聚焦传统层压板，如 FR-4、G-10、BT、MC-2。近年有研究应用新型材料，即抗 CAF 或无卤层压板，通常具备改进的热性能。
近年来，随着制造商生产更小、电路密度更高的 PCB，且板卡更多用于对可靠性要求极高的恶劣环境，预防 CAF 失效变得更迫切。无铅焊接的采用与材料选择增加也推高了关注度。
虽然我们对 CAF 的认知远超 1976 年前，但研究仍在继续。随技术进步，我们不断深入理解 CAF 成因、识别与预防方法。
如何避免 CAF 失效
可采取多种措施降低 CAF 失效风险。预防研究持续进行，但避免 CAF 形成的条件有助于预防。以下因素需考虑：
- 湿气与湿度
因需要电解质，较高含水量增加 CAF 失效几率。湿度升高导致含水量增加，降低 CAF 性能。
- 导致酸污染的工艺
制造工艺可能引入酸污染，增加 CAF 形成可能。例如某些焊剂的使用、电镀过程引入酸残留。
- 偏压与电压
偏压电压是驱动反应的力，高压偏压将显著降低 CAF 形成几率。高电压降低 CAF 性能。
- 预存缺陷
预存缺陷如断裂、空洞、吸湿、污染、错位也可为问题丝提供路径。钻孔时需小心避免损伤板卡。此类损伤可通过裂纹、吸湿等缺陷形成路径。钻速、进给率等因素影响问题发生概率。部分缺陷如特征间桥接不全也可能导致。
环境高温、反复热循环、高峰值回流温度等高温会增加板卡应力，提高损伤与 CAF 形成可能性。
- 材料
另一影响 CAF 失效的关键因素是制板材料。使用抗 CAF 材料（如 Millennium Circuits Limited 所用）是预防 CAF 形成与失效最有效途径之一。
关于层压材料，过去 30 年多项研究测量了各类层压板对 CAF 的敏感性。研究表明：双马来酰亚胺三嗪 (BT) 是最抗 CAF 的层压板，MC-2 最敏感。高热阻层压板往往更能抵抗 CAF 形成。
需注意：即使规格相同，不同供应商的层压材料在 CAF 抗性上也可能差异。总体上，各层压板从最不敏感到最敏感排序如下：
- MC-2
- 环氧/凯夫拉
- FR-4 与 PI (大致相当)
- CE
- BT
PCB 厂商常用玻璃饰面与树脂系统提高绝缘电阻、预防 CAF。两者均被认为有效。但测试显示树脂系统影响大于玻璃涂层。两者结合可为理想方案。
进一步研究显示：DICY 固化树脂比酚醛固化树脂更不易促进 CAF 生长。精整纤维比热清洗纤维和织机状态纤维更不易形成 CAF，织机状态纤维 CAF 生长敏感性最高。纤维洁净度、分布、水解抗性（有助保持玻璃-树脂键合）影响玻璃布或硅烷涂层效果。低吸湿、增强纯树脂成分、增强化学稳定性（含水解抗性）的树脂 CAF 性能更好。
其他材料相关因素包括表面处理类型（HASL、ENIG、沉银、沉锡）和阻焊类型。
- 设计
PCB 设计与制造在决定其 CAF 抗性方面起关键作用。
带电特征间间隙较小的板卡比间隙较大的失效更快，但据信仅影响 CAF 形成的第二步。
除孔孔间距、线线间距，钻孔尺寸、镀通孔铜厚也影响 CAF 抗性。带电特征越多，CAF 形成机会越多。阳极过孔比阴极过孔失效快。其经纬方向也有影响。45° 交错过孔 CAF 抗性更高。制造后若存在填充空洞、玻璃停止、吸湿等问题，可作为 CAF 生长的预存路径。
其他可能增加 CAF 形成可能的工艺包括回流与去污工艺。
PCB 诸多方面（设计、制造、材料、工艺、电压、偏压、预存缺陷等）均影响 CAF 抗性。因此应在 PCB 生产每个阶段考虑 CAF。针对 CAF 抗性优化板卡将产出更可靠的最终产品。
识别 CAF
CAF 发生后识别具有挑战性，难以检查和研究。CAF 常发生在 PCB 埋层内，也可能与其他致失效因素共存，难以确认 CAF 是否为唯一失效模式。
可使用多种先进测试方法检测和表征 CAF 形成与失效。包括 IPC 标准电气测试方法——表面绝缘电阻 (SIR) 测试：
- IPC 电化学迁移测试： IPC 标准测试，测量 PCB 基板表面跨表面电流流动的电阻。
- 温湿偏压 (T-H-B) 测试： 考虑加工温度、相对/老化湿度、电压偏压的 SIR 测试。
也可用多种成像方法观察 PCB 上的 CAF 形成：
- 扫描电子显微镜 (SEM)： 用初级电子束枪在真空中通过电磁透镜向阳极发射电子。可在二次电子 (SE) 模式（适合表面形貌成像）或背散射电子 (BSE) 模式（可提供原子序数对比）下操作。
- 能谱分析 (EDS)： 入射电子束可识别铜、氯、溴等元素。
- 聚焦离子束 (FIB)： 可高分辨放大表面并制作薄横截面获取 3D 图像。
- 透射电子显微镜 (TEM)： 类似光学显微镜，可识别材料相、确定晶体结构。
- X 射线光电子能谱 (XPS)： 又称电子能谱化学分析 (ESCA)，表面分析技术，可识别化学化合物。
- 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)： 分析有机成分，生成强度-波长谱读数。
- 离子色谱： 可为阴离子或阳离子交换色谱，分离离子与极性分子。
导电阳极丝耐受测试
测试板卡 CAF 耐受性有助于确保整体质量与可靠性。IPC（电路板与电子组装行业贸易协会）有标准测试程序 IPC-TM-650 Method 2.6.25A。标准化测试方法使 CAF 耐受等级易于理解与比较。
测试可使用 IPC 标准测试板设计，如 IPC-9253、IPC-9254（10 层，约 125×175 mm）、IPC-9255、IPC-9256。部分原厂也用自有测试板设计。测试层压板 CAF 性能时，应使用多种设计，覆盖不同特征间距、布局、孔径。
IPC 测试方法建议每样品批次每偏压等级至少 25 块测试板，每样品每条件组提供 4,200 个潜在同轴孔孔 CAF 失效点和 7,800 个潜在对角孔孔 CAF 失效点。
测试方法：在约 65 或 85°C (149-185°F) 高温、87% 相对湿度 (RH) 高湿条件下测试。施加 100V 直流获取初始绝缘电阻测量值，样品经 96 小时温湿调节，再测绝缘电阻。然后进行至少 500 小时连续施加偏压测试，每 24-100 小时测一次高电阻。500 小时后再测一组绝缘电阻。
测试后审查数据，查找显著下降或高电阻短路。若板卡失效并疑为 CAF 失效，可用上述测试方法进行失效分析确认原因。
测试给出各间距 500 小时的失效率百分比。结果可用 CAF 耐受性或 CAF 质量描述。CAF 耐受性侧重判定材料体系是否易形成 CAF，不强调缺陷。CAF 质量是材料失效率模型，可能包含缺陷导致的失效。
Millennium Circuits Limited 提供的抗 CAF PCB 材料
抗 CAF 应是任何 PCB 项目的首要关注点。
随着 PCB 小型化、特征间距缩小，CAF 形成风险增加。用于特定条件、可靠性关键的应用中，CAF 性能尤为关键。
因此 Millennium Circuits Limited 提供的所有材料均抗 CAF。我们提供多种材料品类、柔性与刚柔结合电路、表面处理，以及高功率和热力板。还提供工程服务，含拼版创建、设计规则检查、受控阻抗建模。处理从原型到大批量、快速交付的各种订单。
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