PCB CAF 问题指南

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• 什么是导电阳极丝形成
• CAF 的历史视角
• 如何避免 CAF 失败
• 识别 CAF
• 导电阳极丝电阻测试
• Millenium Circuits Limited 的耐 CAF 印刷电路板材料

导电阳极灯丝 (CAF) 故障是电子行业中常见且日益严重的问题。它有可能成为一种灾难性的故障模式，其中印刷电路板 (PCB) 内会形成含铜的导电盐。这是一种电化学迁移，沿着环氧树脂或玻璃界面从阳极到阴极亚表面生长。电化学迁移是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 CAF 增长过程的术语。 CAF的形成被描述为一个两步的过程：

1. 首先，树脂玻璃界面降解，这被认为是可逆的。
2. 第二阶段，即电化学迁移，是不可逆的。

CAF 故障是指由 CAF 形成导致的电气故障。失效发生在CAF从阳极向阴极生长时。

要形成 CAF，您需要具备以下条件：

• 电荷载流子，可以形成电化学电池。
• 水，由于湿气和湿气积聚而产生并溶解离子材料，使它们保持在其可移动的离子状态。
• 导体附近的酸性环境会导致阳极腐蚀。
• 偏压，即驱动反应的力。
• 离子从阳极移动到阴极时的路径。

许多其他因素被认为会加速形成过程，包括高温、高湿度、重复的热循环、阳极和阴极之间的高电压梯度、一些助焊剂成分等等。其他问题，例如组件故障和超过最高工作温度也可能导致与 CAF 相关的故障。

CAF 的历史视角

1976 年，贝尔实验室的研究人员首次发现了 CAF。第一项研究涉及使用 FR-4 细线柔性印刷电路对 UV 固化树脂的不同涂层进行测试。还研究了进一步的故障预防变量，包括玻璃增强层的数量、覆盖涂层和环氧黄油涂层的厚度。研究人员发现，他们可以在对数正态图上模拟故障时间，并将温度、湿度和偏差确定为加速该过程的因素。他们还描述了四种与基材相关的故障。

1979 年，研究人员首次使用术语 CAF 来指代这些故障。首次使用它的论文重点关注材料和导体方向与 CAF 形成的关系。同年还引入了两阶段模型。对 CAF 的调查一直持续到今天，研究人员测试了湿度、温度、偏置、材料、导体方向和其他因素如何影响其形成。

大部分研究都集中在传统层压板，如 FR-4、G-10、BT 和 MC-2。但最近，一些人应用了较新的材料，即抗 CAF 或无卤素层压板，它们通常具有改进的热性能。

近年来，随着制造商生产具有更高电路密度的更小PCB，学习如何防止CAF故障已成为一个更紧迫的问题。现在，电路板在可靠性至关重要的恶劣环境和条件下也得到了更多使用。此外，无铅焊接的使用和材料选择的增加也激发了人们对该主题的兴趣。

尽管我们现在对 CAF 的了解比 1976 年之前要多得多，但研究仍在继续。随着技术的进步，我们会更多地了解为什么会发生 CAF、如何识别它以及如何预防它。

如何避免 CAF 失败

您可以采取许多不同的措施来最大程度地降低 CAF 失败的风险。正在研究避免这个问题的方法，但避免形成 CAF 的条件将有助于防止它。以下是一些需要考虑的因素：

1. 湿度和湿度

因为它需要电解质，所以较高的水含量会增加 CAF 失败的机会。湿度增加会导致水分含量增加，从而降低 CAF 性能。

1. 导致酸污染的过程

制造过程中使用的工艺会引入酸污染，从而增加形成 CAF 的可能性。在电镀过程中使用一些助焊剂和引入酸性残留物就是这样的例子。

1. 偏置和电压

由于偏压是驱动反应的力，高压偏压将显着降低 CAF 形成的机会。更高的电压也会降低 CAF 的性能。

4. 预先存在的缺陷

预先存在的缺陷，例如断裂、空隙、芯吸、污染和套准错误，也可能为有问题的细丝创造路径。钻孔时需要小心，以免损坏电路板。这种损坏可以通过引起裂缝、芯吸和其他缺陷来产生这些通路。钻孔速度、进给速度和其他因素会影响这些问题发生的可能性。部分缺陷（例如特征之间的不完整桥接）也会造成影响。

环境温度、重复热循环和高峰值温度回流等高温会在电路板上产生更大的应力，并增加损坏和形成 CAF 的可能性。

5. 材料

另一个影响 CAF 故障的因素是用于制造电路板的材料。正如 Millennium Circuits Limited 所做的那样，使用抗 CAF 材料是防止 CAF 形成和失效的最有效方法之一。

对于层压材料，过去 30 年的各种研究测量了各种层压材料对 CAF 的敏感性。研究表明，双马来酰亚胺三嗪 (BT) 是最耐 CAF 的层压材料，而 MC-2 是最敏感的。具有高耐热性的层压板倾向于更好地抵抗CAF的形成。

不过，重要的是要注意，即使是来自不同供应商的相同规格的层压材料，其耐 CAF 性也可能不同。然而，总的来说，各种层压板的敏感性从最低到最高的顺序如下：

• MC-2
• 环氧树脂/凯夫拉尔
• FR-4 和 PI（大约相等）
• CE
• 英国电信

PCB 制造商经常使用玻璃饰面和树脂系统来增加绝缘电阻并防止形成 CAF。这两种材料都被认为可用于此目的。然而，对这两种物质的测试表明，树脂体系比玻璃涂层具有更显着的影响。将两者结合使用可能是一个理想的解决方案。

进一步的研究表明，与酚醛固化树脂相比，DICY 固化树脂可能不太可能促进 CAF 生长。与热清洗和织机状态的纤维相比，成品纤维不太可能形成 CAF，而织机状态的纤维对 CAF 生长的敏感性最高。纤维清洁度、分布和耐水解性——有助于保持玻璃-树脂键——影响玻璃布或硅烷涂层的有效性。具有低吸湿性、增强的纯树脂成分和增强的化学稳定性（包括耐水解性）的树脂具有更好的 CAF 性能。

其他与材料相关的因素包括表面处理类型，例如 HASL、ENIG、沉银或沉锡，以及阻焊层类型。

6. 设计

PCB的设计和制造在确定其CAF电阻方面也起着至关重要的作用。

电压偏置特征之间的间隙较小的电路板比间隙较大的电路板故障更快，尽管这被认为只会影响 CAF 形成过程的第二步。

除了孔到孔和线到线的间距之外，钻孔的尺寸和电镀通孔中铜的厚度也会影响 CAF 电阻。拥有更多有偏见的特征也增加了 CAF 必须形成的机会数量。阳极通孔也比阴极通孔失效更快。它们的经纱和纬纱方向也起作用。以 45 度角交错的通孔对 CAF 具有更高的抵抗力。如果在制造后出现填充空隙、玻璃停止、芯吸或其他问题，它们可以作为 CAF 生长的预先存在的途径。

其他可以增加 CAF 形成可能性的工艺包括回流和去污工艺。

PCB 的许多不同方面，包括其设计和制造方面，都会影响其对 CAF 形成的抵抗力。这些因素包括：

• 使用的材料，包括层压板、树脂系统和玻璃涂层。
• 孔间距离和布局等设计因素。
• 焊接和回流等工艺。
• 电压等级。
• 偏置电压。
• 预先存在的缺陷和其他制造质量问题。

由于影响 CAF 性能的因素有很多，因此您应该在 PCB 生产过程的每个阶段都考虑 CAF。针对 CAF 阻力优化您的电路板将产生更可靠的最终产品。

识别 CAF

一旦发生 CAF 就很难识别，因此很难检查和研究。 CAF 经常发生在埋在 PCB 内的层中。它也可能与其他导致故障的因素一起出现，因此很难意识到 CAF 何时是一种完全负责的故障模式。

但是，您可以使用各种先进的测试方法来检查和表征 CAF 的形成和故障。这些测试包括称为表面绝缘电阻 (SIR) 测试的 IPC 标准电气方法，其中包括：

• IPC 电化学迁移测试： 一项 IPC 标准测试，用于测量流经 PCB 基板表面的电流阻力。
• 温度-湿度-偏差 (T-H-B) 测试： 一项 SIR 测试，考虑了加工温度、相对和老化湿度以及电压偏差。

您还可以使用各种方法对 PCB 上的 CAF 形成进行成像。这些技术包括：

• 扫描电子显微镜 (SEM)： 该方法涉及使用初级电子束枪，该电子束枪通过电磁透镜将电子发送到真空中带正电的阳极。您可以在二次电子 (SE) 模式（非常适合表面形貌成像）或背散射电子 (BSE) 模式下操作此设备，该模式允许原子序数对比。
• 能量色散光谱 (EDS)： 这种入射电子束可用于识别铜、氯和溴等元素。
• 聚焦离子束 (FIB)： 使用这种技术，您可以以高分辨率放大表面，然后制作薄横截面以获得 3-D 图像。
• 透射电子显微镜 (TEM)： 该系统的工作原理类似于光学显微镜，可以识别材料相并确定晶体结构。
• X 射线光电子能谱 (XPS)： 这种方法有时也称为化学分析电子光谱法 (ESCA)，是一种可以识别化合物的表面分析技术。
• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR)： 该技术分析有机成分并创建光谱强度和波长读数。
• 离子色谱法： 这个过程可以是阴离子或阳离子交换色谱，用于分离离子和极性分子。

导电阳极灯丝电阻测试

对电路板的 CAF 电阻进行测试有助于确保其整体质量和可靠性。 IPC 是电路板和电子组装行业的行业协会，有一个名为 IPC-TM-650 Method 2.6.25A 的 CAF 电阻标准测试程序。使用标准化测试方法可以获得易于理解和可比较的 CAF 抗性评级。

对于此测试，您可以使用 IPC 标准的试片设计，例如 IPC-9253 和 IPC-9254，它们有 10 层，尺寸约为 125×175 毫米，以及 IPC-9255 和 IPC 9256。一些原始设备制造商也使用他们自己的优惠券设计。在测试层压板的 CAF 性能时，您应该使用具有一系列特征间距、布局和孔尺寸的多种设计。

IPC 测试方法建议每个样品批次每个偏差水平至少使用 25 个测试板，为每个样品提供 4,200 个潜在的在线、孔对孔 CAF 故障点和 7,800 个潜在的对角孔对孔 CAF 故障点，并且条件集。

IPC 测试方法包括在大约 65 或 85 摄氏度（149 到 185 华氏度）的高温和 87% 相对湿度 (RH) 的高湿度条件下测试这些电路板。在您施加 100 伏直流电获得初始绝缘电阻测量值后，样品经过 96 小时的温度和湿度调节，然后进行另一轮绝缘电阻测量。

然后，样品在连续施加的偏置电压下进行至少 500 小时的测试。在此期间，每 24 到 100 小时进行一次高电阻测量。 500 小时后，进行另一组绝缘电阻测量。

测试后，您查看数据是否有任何显着下降或高电阻短路。如果板子出现故障并且您怀疑是 CAF 故障，您可以使用上面列出的测试方法进行故障分析以确认原因。

该测试将为您提供每个间距在 500 小时时的故障率百分比。您可以根据 CAF 阻力或 CAF 质量来描述测试结果。 CAF 抗性侧重于确定材料系统是否易于形成 CAF，而不强调缺陷。 CAF 质量是材料的故障率模型，可能包括基于缺陷的故障。

Millennium Circuits Limited 的耐 CAF PCB 材料

对 CAF 的抵抗力应该是任何印刷电路板项目的首要考虑因素。

随着 PCB 变得更小并且特征必须更紧密地放置在一起，CAF 形成的风险增加。对于在某些条件下使用的电路板以及可靠性至关重要的应用，CAF 性能尤为重要。

这就是为什么 Millennium Circuits Limited 提供的所有材料都能抵抗 CAF 的原因。我们提供一系列材料品种、柔性和刚柔结合电路和表面处理以及高功率和热板。我们还提供工程服务，包括面板创建、设计规则检查和受控阻抗建模。我们处理任何规模的订单，从原型设计到快速周转的大批量订单。

对于高质量的产品、出色的客户服务、可靠的准时交货和有竞争力的价格，请相信 Millennium Circuits Limited 来满足您的所有 PCB 需求。浏览我们的网站以了解有关我们能力的更多信息。如果您有任何问题，您也可以联系我们，并通过填写此在线表格请求快速报价。

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