PCB的CAF效应

于 2024-07-10 21:55:51 发布 49 阅读 0 评论

CAF效应


在电子设备制造领域,尤其是汽车电子和军工装备等对环境适应性要求较高的行业,产品的耐高温高湿能力至关重要。随着技术进步,电子设备趋向于更高密度的集成,这导致电路板的孔间距缩小,对孔的可靠性要求也随之提高。在这种背景下,导电阳极丝(CAF)问题成为了影响电子设备可靠性的关键因素。


导电阳极丝是一种在PCB(印刷电路板)内部可能发生的导电现象,它是指在高电压作用下,铜离子沿着玻璃纤维丝之间的微小裂缝,向低电压区域迁移,形成铜和铜盐的导电路径。在高温高湿的环境下,如果PCB或PCBA(印刷电路板组装)处于带电状态,就可能在两个绝缘导体之间形成CAF,这会导致绝缘性能下降,甚至引发短路,严重影响设备的可靠性和安全性。


为了检测和分析CAF现象,技术人员会对PCB进行纵向研磨,然后使用电子显微镜放大观察。在放大100倍的图像中,可以看到材料的暗淡区域和铜的亮金色部分。在两个过孔之间的区域,如果存在CAF现象,就可以观察到铜点或铜丝的存在,这些导电物质的存在是导致绝缘性能下降的直接原因。


通过这种细致的观察和分析,制造商可以更好地理解CAF现象的成因,采取相应的预防和改进措施,提高产品的可靠性和安全性,满足汽车电子和军工装备等行业对电子设备耐高温高湿环境的严格要求。


产生机理


1、化学键水解



在电子制造领域,PCB(印刷电路板)的材质和结构对其性能至关重要。FR4是最常见的PCB基板材料,它由玻璃纤维布浸渍环氧树脂制成。这种材料的制造过程包括将玻璃纤维编织成布,然后涂覆半固化的环氧树脂。然而,如果环氧树脂与玻璃纤维之间的粘合力不足,或者在树脂的含浸过程中胶性不良,就可能在两者之间形成间隙。


此外,在PCB的制造过程中,如钻孔等机械加工步骤,由于切向拉力和纵向冲击力的作用,可能会进一步破坏树脂的粘合力,导致玻璃纤维束的松动或分离,从而产生间隙。这些间隙在电子设备中可能会成为潜在的缺陷源。


在高温高湿的环境下,环氧树脂和玻璃纤维之间的附着力可能会进一步劣化。这种劣化会促进玻纤表面的硅烷偶联剂发生水解反应,这可能导致电化学迁移路径的形成,即铜离子的迁移通道。这种铜离子的迁移可能会在PCB内部形成导电的阳极丝,影响电路的绝缘性能,甚至导致电路的短路。


因此,确保PCB材料的质量和加工过程中的精细控制对于提高电子设备的可靠性至关重要。制造商需要采取适当的措施来增强环氧树脂与玻璃纤维之间的粘合力,优化树脂的含浸工艺,并在机械加工过程中尽量减少对材料粘合力的破坏,以降低电化学迁移的风险,确保电子设备在各种环境条件下都能稳定运行。


2、导电阳极丝增长

离子迁移通道产生后,如果此时在两个绝缘孔之间存在电势差,则在电势较高的阳极上的铜会被氧化为铜离子,铜离子在电场作用下向电势较低的阴极迁移,在迁移的过程中,与板材中的杂质离子或OH-结合,生成不溶于水的导电盐,并沉积下来,使两绝缘孔之间的电气间距急剧下降,甚至直接导通形成短路。


影响因素


1、PCB设计

在PCB(印刷电路板)的设计和制造过程中,孔的排列方式对CAF(导电阳极丝)性能有着显著的影响。不同的孔排列方式会导致CAF效应的差异,通常可以归纳为三种基本的排列方式。这三种排列方式按照耐CAF性能从强到弱的顺序排列如下:


错位排列:这种排列方式通过改变孔的直线排列,引入了迂回路径,这可以有效地阻碍CAF沿着直线路径的发展。错位排列通过增加CAF生长的复杂性,减少了CAF形成的可能性,从而提高了PCB的耐CAF性能。


纬向排列:纬向排列指的是孔沿着玻璃纤维布的纬线方向排列。由于纬向的玻璃纤维束较为疏松,树脂的浸润性相对较好,这有助于提高孔壁与树脂之间的粘合强度。此外,钻孔过程中在纬向上造成的损伤通常比经向上轻微,这也有助于提高耐CAF性能。


经向排列:经向排列指的是孔沿着玻璃纤维布的经线方向排列。经向的玻璃纤维束较为紧密,这可能导致树脂的浸润性不如纬向,且钻孔过程中可能造成更大的损伤,从而增加了CAF形成的风险。


为了降低CAF效应,提高PCB的可靠性,制造商在设计PCB时需要考虑孔的排列方式。通过优化孔的布局,可以减少CAF的发生,确保电子设备在各种环境条件下都能稳定运行。此外,制造商还应考虑使用高质量的材料和先进的制造工艺,以进一步提高PCB的耐CAF性能。



2、PCB加工


在PCB(印刷电路板)的制造过程中,玻璃纤维与树脂之间的微小空隙对CAF(导电阳极丝)性能有着显著的影响。以下是几个主要方面,这些方面共同决定了CAF的产生和发展:


压板工艺参数:在PCB的压板过程中,压力、升温速率以及固化温度和时间都是关键因素。尤其是固化温度和时间,它们对树脂的最终固化状态有决定性作用。如果固化不充分,可能会在材料中留下微小的空隙,这些空隙可能成为CAF发展的通道。


除胶过程:除胶参数的设置对于孔壁的清洁度至关重要。孔壁的清洁度直接影响到孔壁的粗糙度。如果孔壁清洁不彻底,残留的杂质可能会成为CAF形成和生长的起点。


孔壁粗糙度:孔壁的粗糙度不仅受除胶参数的影响,还与钻孔参数和钻针的研磨次数有关。孔壁越粗糙,表面就越容易吸附水分和离子,从而增加了CAF发生的风险。粗糙的孔壁也为CAF提供了更多的生长路径和附着点。


3、板材配本

众所周知,覆铜板是由半固化片(Prepeg)和铜箔压制而成,而不同的半固化片,其CAF性能存在很大的差异,这主要取决于其所用的玻纤布的编织结构。


上图为三种普通玻纤布的物理编织结构。这三种编织结构的树脂含量及浸润性优势对比为1080>2116>7628,即1080PP片不容易产生CAF失效。


4、表面处理



PCBA进行表面清洁处理,例如使用高压气枪进行灰尘清理,避免杂质残留导致不必要的杂质发生电解。另外,在PCBA表面涂覆三防漆,避免水汽的侵入,特别是在高温高湿的地理环境。


失效分析


1、失效模式



CAF现象一般发生在PTH孔与PTH孔、PTH孔与线、线与线、层与层之间。为准确地分析失效原因,必须了解线路板的内部结构,再根据结构制定合适的分析方法。常见的四种CAF失效模式如上图所示。


2、查找失效点



由于CAF失效引起的短路通常很微小,所以要确认失效点,以便提高CAF失效分析的成功率。通常使用半分法来锁定失效区域,步骤如下。


a)先把一个单元分成两个小单元;
b)用高阻计分别对这两个小单元进行绝缘电阻测试;
c)对阻值偏小的单元再切割。

以此类推,直到找出失效点。


3、切片检查


找到失效位置后,需对失效产品进行剖切,以确认CAF形成的真正原因。首先需对失效区域进行垂直研磨,以找出发生CAF的层数。


切片研磨到孔中心位置,可以观察到两孔中间玻璃纱束中有通路,存在铜迁移现象。其次对失效区域进行水平研磨,可以观察到孔间的CAF情况。


4、SEM&EDS(能散X线光谱仪)分析



SEM&EDS是用聚焦的很细的电子束照射被检测的试样表面,通过检测二次电子或背散射电子信息进行形貌观察,同时测量电子与试样相互作用所产生的特征X-射线的(频率)波长与强度,从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析。


基于以上原理,将上述剖切好的切片失效区域使用SEM观察其外观,同时利用EDS对不良区域进行元素分析。在正常区一般由碳、氧、镍等元素组成,而有CAF通过的区域除有正常元素存在外,还有铜、溴、氯等元素。


由上图的SEM图可以看出,玻纤周围有铜丝和空隙存在。上表的数据显示与以上所讲理论相符。

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