Leitfaden zu PCB-CAF-Problemen

Gehe zu:

• Was ist leitfähige anodische Filamentbildung
• Historische Perspektive von CAF
• So vermeiden Sie CAF-Fehler
• CAF identifizieren
• Leitfähiger anodischer Filament-Widerstandstest
• CAF-beständige PCB-Materialien von Millenium Circuits Limited

Das Versagen des leitfähigen anodischen Filaments (CAF) ist ein häufiges und wachsendes Problem in der Elektronikindustrie. Es kann zu einem katastrophalen Fehlermodus kommen, bei dem sich ein kupferhaltiges Leitsalz innerhalb von Leiterplatten (PCBs) bilden kann. Es ist eine Art elektrochemischer Migration, die entlang der Epoxid- oder Glasgrenzfläche von der Anode zur Kathodenunterseite wächst. Die elektrochemische Migration ist ein Prozess, bei dem leitfähige Metallfäden über ein dielektrisches Material wachsen.

Was ist leitfähige anodische Filamentbildung?

CAF-Bildung ist der Begriff für den Prozess, durch den CAF wächst. Die CAF-Bildung wird als zweistufiger Prozess beschrieben:

1. Erstens baut sich die Harz-Glas-Grenzfläche ab, was vermutlich reversibel ist.
2. Die zweite Stufe, die elektrochemische Migration, ist nicht reversibel.

CAF-Ausfall bezieht sich auf den elektrischen Ausfall, der aus der CAF-Bildung resultiert. Der Fehler tritt auf, wenn der CAF von der Anode zur Kathode wächst.

Damit sich CAF bildet, müssen mehrere Dinge vorhanden sein:

• Elektrische Ladungsträger, die den Aufbau einer elektrochemischen Zelle ermöglichen.
• Wasser, das durch Feuchtigkeit und Feuchtigkeitsansammlung entsteht und das ionische Material auflöst, wodurch es in seinem mobilen ionischen Zustand gehalten wird.
• Eine saure Umgebung in der Nähe von Leitern, um Korrosion an der Anode zu ermöglichen.
• Eine Spannungsvorspannung, die die Kraft ist, die die Reaktion antreibt.
• Ein Weg, den die Ionen nehmen müssen, wenn sie sich von der Anode zur Kathode bewegen.

Es wird angenommen, dass viele andere Faktoren den Bildungsprozess beschleunigen, darunter hohe Temperaturen, hohe Feuchtigkeit, wiederholte Wärmezyklen, ein hoher Spannungsgradient zwischen Anode und Kathode, einige Lötflussmittelbestandteile und mehr. Andere Probleme wie Komponentenausfälle und das Überschreiten der maximalen Betriebstemperaturen können ebenfalls zu einem CAF-bezogenen Ausfall beitragen.

Historische Perspektive von CAF

CAF wurde erstmals 1976 von Forschern des Bell Lab identifiziert. Die ersten Studien umfassten Tests verschiedener Beschichtungen aus UV-gehärteten Harzen unter Verwendung von flexiblen FR-4-Feinlinien-Leiterplatten. Weitere ausfallverhindernde Variablen wurden ebenfalls untersucht, darunter die Anzahl der Glasverstärkungsschichten, die Deckschicht und die Dicke der Epoxid-Buttercoat-Schicht. Die Forscher fanden heraus, dass sie die Zeit bis zum Ausfall auf einem logarithmisch normalen Diagramm modellieren konnten, und identifizierten Temperatur, Feuchtigkeit und Vorspannung als Faktoren, die den Prozess beschleunigten. Sie beschrieben auch vier substratbezogene Fehler.

1979 verwendeten Forscher erstmals den Begriff CAF, um sich auf diese Fehler zu beziehen. Das Papier, das es zuerst verwendete, konzentrierte sich darauf, wie Materialien und Leiterorientierung mit der CAF-Bildung zusammenhängen. Im selben Jahr wurde auch das zweistufige Modell eingeführt. Die Untersuchungen zu CAF wurden bis heute fortgesetzt, wobei Forscher testeten, wie Feuchtigkeit, Temperatur, Vorspannung, Materialien, Leiterausrichtung und andere Faktoren seine Bildung beeinflussen.

Der Großteil dieser Forschung konzentrierte sich auf herkömmliche Laminate wie FR-4, G-10, BT und MC-2. In jüngerer Zeit haben einige jedoch neuere Materialien verwendet, nämlich CAF-beständige oder halogenfreie Laminate, die typischerweise verbesserte thermische Eigenschaften aufweisen.

In den letzten Jahren ist es zu einem immer dringlicheren Anliegen geworden, zu lernen, wie CAF-Ausfälle verhindert werden können, da Hersteller kleinere PCBs mit höherer Schaltungsdichte produzieren. Boards werden jetzt auch häufiger in rauen Umgebungen und unter Bedingungen eingesetzt, bei denen Zuverlässigkeit entscheidend ist. Darüber hinaus haben die Verwendung von bleifreiem Löten und die zunehmende Materialauswahl das Interesse an diesem Thema verstärkt.

Obwohl wir jetzt viel mehr über CAF wissen als vor 1976, geht die Forschung weiter. Mit der Verbesserung der Technologie erfahren wir mehr darüber, warum CAF auftritt, wie man es erkennt und wie man es verhindert.

So vermeiden Sie CAF-Fehler

Es gibt viele verschiedene Maßnahmen, die Sie ergreifen können, um das Risiko eines CAF-Ausfalls zu minimieren. Die Erforschung von Möglichkeiten zur Vermeidung dieses Problems ist im Gange, aber die Vermeidung der Bedingungen, die die CAF-Bildung ermöglichen, wird dazu beitragen, es zu verhindern. Hier sind einige der zu berücksichtigenden Faktoren:

1. Feuchtigkeit und Nässe

Da ein Elektrolyt erforderlich ist, erhöht ein höherer Wassergehalt die Wahrscheinlichkeit eines CAF-Ausfalls. Erhöhte Feuchtigkeit führt zu einem höheren Feuchtigkeitsgehalt, was die CAF-Leistung verringert.

2. Prozesse, die zu einer Säurekontamination führen

Prozesse, die während der Herstellung verwendet werden, können Säureverunreinigungen einführen, was die Wahrscheinlichkeit einer CAF-Bildung erhöht. Beispiele hierfür sind die Verwendung einiger Flussmittel und das Einbringen von Säurerückständen während des Galvanisierungsprozesses.

3. Vorspannung und Spannung

Da die Vorspannung die Kraft ist, die die Reaktion antreibt, verringert eine Hochspannungsvorspannung die Wahrscheinlichkeit einer CAF-Bildung erheblich. Höhere Spannungen verringern auch die CAF-Leistung.

4. Bestehende Mängel

Bereits vorhandene Defekte wie Brüche, Hohlräume, Dochtwirkung, Kontamination und Fehlausrichtung können ebenfalls Wege für problematische Filamente schaffen. Sie müssen beim Bohren von Löchern vorsichtig sein, um die Platine nicht zu beschädigen. Solche Beschädigungen können diese Pfade erzeugen, indem sie Risse, Dochtwirkung und andere Defekte verursachen. Bohrgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und andere Faktoren beeinflussen, wie wahrscheinlich diese Probleme auftreten. Teildefekte wie unvollständige Überbrückung zwischen Merkmalen können ebenfalls dazu beitragen.

Hohe Temperaturen wie die von Umgebungstemperatur, wiederholten Temperaturwechseln und Reflow mit einer hohen Spitzentemperatur erzeugen mehr Stress auf einer Platine und erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Schäden sowie die CAF-Bildung.

5. Materialien

Ein weiterer einflussreicher CAF-Ausfallfaktor sind die Materialien, die zur Herstellung der Platine verwendet werden. Die Verwendung von CAF-beständigen Materialien, wie es Millennium Circuits Limited tut, ist eine der effektivsten Methoden, um CAF-Bildung und -Versagen zu verhindern.

Bei Laminatmaterialien wurde in den letzten 30 Jahren in verschiedenen Studien die CAF-Anfälligkeit verschiedener Laminate gemessen. Die Forschung legt nahe, dass Bismaleimidtriazin (BT) das Laminat ist, das am widerstandsfähigsten gegen CAF ist, während MC-2 am anfälligsten ist. Laminate mit hoher thermischer Beständigkeit neigen dazu, der CAF-Bildung besser zu widerstehen.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass selbst identisch spezifizierte Laminatmaterialien von verschiedenen Lieferanten eine unterschiedliche CAF-Beständigkeit aufweisen können. Im Allgemeinen ist jedoch die Anfälligkeit verschiedener Laminate von der geringsten bis zur höchsten Anfälligkeit wie folgt:

• MC-2
• Epoxid/Kevlar
• FR-4 und PI (ungefähr gleich)
• CE
• BT

Leiterplattenhersteller verwenden häufig Glasoberflächen und Harzsysteme, um den Isolationswiderstand zu erhöhen und die CAF-Bildung zu verhindern. Beide dieser Materialien werden für diesen Zweck als nützlich angesehen. Tests der beiden Substanzen haben jedoch gezeigt, dass Harzsysteme einen stärkeren Einfluss haben als Glasbeschichtungen. Die Kombination aus beiden kann eine ideale Lösung sein.

Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass DICY-gehärtetes Harz das CAF-Wachstum möglicherweise weniger fördert als phenolisch gehärtetes Harz. Fertige Fasern bilden weniger wahrscheinlich CAF als wärmegereinigte und im Webstuhlzustand befindliche Fasern, wobei Fasern im Webstuhlzustand die höchste Anfälligkeit für CAF-Wachstum aufweisen. Fasersauberkeit, Verteilung und Hydrolysebeständigkeit – die dazu beitragen, Glas-Harz-Bindungen zu bewahren – beeinflussen die Wirksamkeit von Glasgewebe- oder Silanbeschichtungen. Harze mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme, verbesserten reinen Harzkomponenten und verstärkter chemischer Stabilität – einschließlich Hydrolysebeständigkeit – haben eine bessere CAF-Leistung.

Andere materialbezogene Faktoren sind Oberflächentypen wie HASL, ENIG, Immersionssilber oder Immersionszinn und Lötmaskentyp.

6. Gestaltung

Das Design und die Herstellung einer Leiterplatte spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung ihrer CAF-Beständigkeit.

Platinen mit einem kleineren Abstand zwischen spannungsvorgespannten Merkmalen versagen schneller als solche mit größeren Abständen, obwohl angenommen wird, dass dies nur den zweiten Schritt des CAF-Bildungsprozesses beeinflusst.

Zusätzlich zum Loch-zu-Loch- und Linie-zu-Linie-Abstand beeinflussen die Größe der gebohrten Löcher und die Dicke des Kupfers in plattierten Durchgangslöchern die CAF-Beständigkeit. Voreingenommenere Merkmale erhöhen auch die Anzahl der Möglichkeiten, die CAF zu bilden hat. Anodische Vias fallen auch schneller aus als kathodische Vias. Auch ihre Kett- und Schussrichtung spielen eine Rolle. In 45-Grad-Winkeln versetzte Durchkontaktierungen haben eine höhere Beständigkeit gegenüber CAF. Wenn Fülllücken, Glasstopps, Dochtwirkung oder andere Probleme nach der Herstellung vorhanden sind, können sie als bereits vorhandene Pfade für das CAF-Wachstum dienen.

Andere Prozesse, die die Wahrscheinlichkeit einer CAF-Bildung erhöhen können, umfassen die Reflow- und Desmear-Prozesse.

Viele verschiedene Aspekte einer Leiterplatte, einschließlich Aspekten ihres Designs und ihrer Herstellung, wirken sich auf ihre Beständigkeit gegen CAF-Bildung aus. Zu diesen Faktoren gehören:

• Die verwendeten Materialien, einschließlich Laminate, Resign-Systeme und Glasbeschichtungen.
• Designfaktoren wie Loch-zu-Loch-Abstand und Layout.
• Prozesse wie Löten und Reflow.
• Spannungspegel.
• Vorspannung.
• Bereits bestehende Mängel und andere Probleme mit der Herstellungsqualität.

Da so viele Faktoren die CAF-Leistung beeinflussen, sollten Sie CAF in jeder Phase des PCB-Produktionsprozesses berücksichtigen. Die Optimierung Ihres Boards für CAF-Beständigkeit führt zu einem zuverlässigeren Endprodukt.

CAF identifizieren

Das Identifizieren von CAF, sobald es auftritt, ist eine Herausforderung, was es schwierig macht, es zu untersuchen und zu untersuchen. CAF tritt häufig in Schichten auf, die in Leiterplatten eingebettet sind. Es kann auch zusammen mit anderen beitragenden Fehlerfaktoren auftreten, was es schwierig macht, zu erkennen, wann CAF ein allein verantwortlicher Fehlermodus ist.

Sie können jedoch verschiedene fortschrittliche Testmethoden verwenden, um die Bildung und das Versagen von CAF zu überprüfen und zu charakterisieren. Diese Tests umfassen elektrische Methoden nach IPC-Standard, die als Oberflächenisolationswiderstandstests (SIR) bekannt sind, darunter:

• Elektrochemischer IPC-Migrationstest: Ein IPC-Standardtest zur Messung des Widerstands gegen Stromfluss über die Oberfläche eines PCB-Substrats.
• Test auf Temperatur-Feuchtigkeits-Bias (T-H-B): Ein SIR-Test, der Verarbeitungstemperatur, relative und Alterungsfeuchtigkeit sowie Spannungsvorspannung berücksichtigt.

Sie können auch verschiedene Methoden verwenden, um die CAF-Bildung auf einer Leiterplatte abzubilden. Zu diesen Techniken gehören:

• Rasterelektronenmikroskopie (SEM): Dieses Verfahren beinhaltet die Verwendung einer Primärelektronenstrahlkanone, die Elektronen durch elektromagnetische Linsen in einem Vakuum zu der positiv geladenen Anode schickt. Sie können dieses Gerät entweder im Sekundärelektronenmodus (SE) – ideal für Oberflächentopografie-Bildgebung – oder im Rückstreuelektronenmodus (BSE) betreiben, der Ordnungszahlkontrast ermöglicht.
• Energiedispersive Spektroskopie (EDS): Dieser einfallende Elektronenstrahl kann verwendet werden, um Elemente wie Kupfer, Chlor und Brom zu identifizieren.
• Fokussierter Ionenstrahl (FIB): Mit dieser Technik können Sie eine Oberfläche mit hoher Auflösung vergrößern und dann einen dünnen Querschnitt erstellen, um ein 3D-Bild zu erhalten.
• Transmissionselektronenmikroskopie (TEM): Dieses System, das ähnlich wie ein Lichtmikroskop funktioniert, kann Materialphasen identifizieren und die kristallographische Struktur bestimmen.
• Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS): Diese Methode wird manchmal auch als Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse (ESCA) bezeichnet und ist eine Oberflächenanalysetechnik, mit der chemische Verbindungen identifiziert werden können.
• Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR): Diese Technik analysiert organische Bestandteile und erstellt ein Spektrum von Intensitäts- und Wellenlängenmesswerten.
• Ionenchromatographie: Dieser Prozess, der entweder Anionen- oder Kationenaustauschchromatographie sein kann, trennt Ionen und polare Moleküle.

Leitfähiger anodischer Filament-Widerstandstest

Die Durchführung eines Tests der CAF-Beständigkeit einer Platine trägt dazu bei, ihre Gesamtqualität und Zuverlässigkeit sicherzustellen. IPC, der Handelsverband für die Leiterplatten- und Elektronikmontageindustrie, hat ein Standardtestverfahren für die CAF-Beständigkeit mit dem Titel IPC-TM-650 Methode 2.6.25A. Die Verwendung eines standardisierten Testverfahrens ermöglicht leicht verständliche und vergleichbare CAF-Resistenzbewertungen.

Für diesen Test können Sie IPC-Standard-Coupon-Designs wie IPC-9253 und IPC-9254 verwenden, die 10 Schichten und Abmessungen von ungefähr 125 × 175 Millimetern haben, sowie IPC-9255 und IPC 9256. Einige Erstausrüster auch Verwenden Sie ihre eigenen Coupon-Designs. Wenn Sie ein Laminat auf CAF-Leistung testen, sollten Sie mehrere Designs verwenden, die eine Reihe von Merkmalsabständen, Layouts und Lochgrößen aufweisen.

Das IPC-Testverfahren empfiehlt die Verwendung von mindestens 25 Testplatinen pro Probenlos und pro Bias-Level, was 4.200 potenzielle Inline-Loch-zu-Loch-CAF-Versagenspunkte und 7.800 potenzielle diagonale Loch-zu-Loch-CAF-Versagensstellen für jede Probe und liefert Bedingung gesetzt.

Bei der IPC-Testmethode werden diese Platinen bei hohen Temperaturen von etwa 65 oder 85 Grad Celsius (149 bis 185 Grad Fahrenheit) und hoher Luftfeuchtigkeit von 87 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit (RH) getestet. Nachdem Sie 100 Volt Gleichstrom angelegt haben, um anfängliche Isolationswiderstandsmessungen zu erhalten, werden die Proben 96 Stunden lang einer Temperatur- und Feuchtigkeitskonditionierung unterzogen, gefolgt von einer weiteren Runde von Isolationswiderstandsmessungen.

Dann werden die Proben mindestens 500 Stunden lang mit einer kontinuierlich angelegten Vorspannung getestet. Führen Sie in dieser Zeit alle 24 bis 100 Stunden Hochwiderstandsmessungen durch. Führen Sie nach 500 Stunden eine weitere Reihe von Isolationswiderstandsmessungen durch.

Nach dem Test überprüfen Sie die Daten auf signifikante Einbrüche oder hochohmige Kurzschlüsse. Wenn die Platine ausfällt und Sie vermuten, dass es sich um einen CAF-Ausfall handelt, können Sie eine Fehleranalyse mit Testmethoden wie den oben aufgeführten durchführen, um die Ursache zu bestätigen.

Der Test gibt Ihnen eine prozentuale Ausfallrate bei 500 Stunden für jeden Abstand. Sie können die Testergebnisse in Bezug auf CAF-Resistenz oder CAF-Qualität beschreiben. Die CAF-Resistenz konzentriert sich auf die Bestimmung, ob ein Materialsystem für die CAF-Bildung anfällig ist oder nicht, und betont keine Defekte. Die CAF-Qualität ist das Ausfallratenmodell eines Materials und kann fehlerbasierte Ausfälle beinhalten.

CAF-beständige PCB-Materialien von Millennium Circuits Limited

Die Beständigkeit gegen CAF sollte bei jedem Leiterplattenprojekt ein Hauptanliegen sein.

Da Leiterplatten kleiner werden und Features näher beieinander platziert werden müssen, steigt das Risiko der CAF-Bildung. Für Boards, die unter bestimmten Bedingungen und in Anwendungen verwendet werden, bei denen Zuverlässigkeit entscheidend ist, ist die CAF-Leistung besonders wichtig.

Aus diesem Grund sind alle Materialien, die Millennium Circuits Limited anbietet, CAF-beständig. Wir bieten eine Reihe von Materialvarianten, flexiblen und starrflexiblen Schaltungen und Oberflächenveredelungen sowie Hochleistungs- und Thermoplatinen an. Wir bieten auch Engineering-Dienstleistungen an, darunter die Erstellung von Panels, die Überprüfung von Designregeln und die Modellierung mit kontrollierter Impedanz. Wir bearbeiten Aufträge jeder Größe, vom Prototyping bis hin zu Großaufträgen mit schneller Abwicklung.

Vertrauen Sie Millennium Circuits Limited für hochwertige Produkte, exzellenten Kundenservice, zuverlässige pünktliche Lieferung und wettbewerbsfähige Preise für alle Ihre PCB-Anforderungen. Durchsuchen Sie unsere Website, um mehr über unsere Fähigkeiten zu erfahren. Sie können uns auch bei Fragen kontaktieren und ein schnelles Angebot anfordern, indem Sie dieses Online-Formular ausfüllen.

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