如何預(yù)防電子產(chǎn)品癌癥“CAF”的發(fā)生

您的電子產(chǎn)品是否有過(guò)莫名其妙地遭遇短路，或者網(wǎng)絡(luò)間絕緣電阻降低故障卻始終找不到真因？

對(duì)此，可以先定一個(gè)能達(dá)到的小目標(biāo)，比如說(shuō)我先解決PCB的“CAF”問(wèn)題:

PCB的“CAF”會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品的漏電短路故障或絕緣電阻降低，因此其失效是近年來(lái)十分熱門(mén)而又十分令電子行業(yè)從業(yè)人員苦惱的話(huà)題，那么:

“CAF”到底是什么?

它的形成原理是什么?

如何預(yù)防CAF的形成以保證PCB的可靠性?

帶著這些疑團(tuán)，SKYAN將帶您一起揭開(kāi)答案。

一、“CAF”是什么?

CAF是英文Conductive Anodic Filament的簡(jiǎn)稱(chēng)，譯為導(dǎo)電陽(yáng)離子遷移、導(dǎo)電陽(yáng)極絲或陽(yáng)極性玻纖絲漏電。

CAF是一種陽(yáng)極漏電現(xiàn)象，具體指PCB兩個(gè)絕緣網(wǎng)絡(luò)間由于吸濕作用吸附水分子后，加入電場(chǎng)時(shí)，陽(yáng)極的金屬銅電離成銅離子，銅離子從陽(yáng)極沿著玻纖微裂通道(玻纖與樹(shù)脂的界面)往陰極移動(dòng)，并沿著玻纖與樹(shù)脂的界面形成一導(dǎo)電絲，此導(dǎo)電絲不斷增長(zhǎng)、堆積析出金屬銅，當(dāng)?shù)竭_(dá)陰極時(shí)導(dǎo)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(xiàn)象豎磨切片（側(cè)視圖）

圖2 CAF現(xiàn)象平磨切片（俯視圖）

二、CAF的形成原理

CAF的發(fā)生，將使導(dǎo)體間的絕緣性能下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電路功能失效、電路短路等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。最早由美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室和雷神(Raytheon)公司的科學(xué)家于1976年首先發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。

CAF的形成是發(fā)生在玻纖束中的一種典型的電化學(xué)遷移(ECM，Electro-Cchemical Migration)現(xiàn)象。ECM和CAF類(lèi)似，按IPC-9201(表面絕緣電阻手冊(cè))的說(shuō)法，此過(guò)程是由于電路板或組裝板長(zhǎng)期處于高溫高濕的惡劣環(huán)境中，相鄰導(dǎo)體間在出現(xiàn)偏壓(Bias)的情況下，會(huì)逐漸發(fā)生金屬離子的遷移，并在板面上出現(xiàn)樹(shù)枝鹽類(lèi)生長(zhǎng)的痕跡(Dendrites),稱(chēng)為電化學(xué)遷移(ECM)。

從狹義理解來(lái)看二者的區(qū)別:CAF發(fā)生在PCB內(nèi)部，而ECM發(fā)生在PCB表面;CAF呈金屬絲狀，而ECM呈樹(shù)枝狀。從廣義理解來(lái)看，其實(shí)CAF就是一種典型的ECM行為。CAF發(fā)生的陰陽(yáng)極電極主反應(yīng)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(xiàn);

③線(xiàn)與線(xiàn);

④層與層。

圖4 CAF失效的位置

其中最常見(jiàn)和最容易發(fā)生的位置是孔與孔間的CAF失效。

三、高密小型化的PCB設(shè)計(jì)為CAF的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件

隨著集成電路和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小已成為不可阻擋的時(shí)代潮流，PCB也向著高密小型化方向發(fā)展，如數(shù)碼相機(jī)主板、車(chē)載電子設(shè)備主板、手機(jī)板、電腦筆記本板、通信板等。

密集的電路布線(xiàn)使得PCB的孔間距、線(xiàn)間距、厚度越來(lái)越小，無(wú)論是多層板的層數(shù)和通孔的孔徑，還是布線(xiàn)密度和線(xiàn)間距都趨向于微細(xì)化。相鄰導(dǎo)體間距的縮短，為PCB中CAF的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件，因銅離子遷移導(dǎo)致PCB絕緣性能降低，嚴(yán)重時(shí)引起線(xiàn)路間短路子，以致于燒毀電器甚至引起火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)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(fā)現(xiàn)“潛伏期”很長(zhǎng)，直到終端產(chǎn)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(shuō):CAF就如同PCB制造商的噩夢(mèng)般縈繞心頭，十分痛苦，常常造成產(chǎn)品報(bào)廢的同時(shí)還須忍痛賠款。

電子產(chǎn)品因PCB發(fā)生CAF失效而導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢，終端客戶(hù)和集成商向PCB制造商巨額索賠的案例頻頻發(fā)生。下面向大家介紹一個(gè)手機(jī)主板客戶(hù)的例子:

某手機(jī)主板在客戶(hù)使用不久后出現(xiàn)了故障，表現(xiàn)為X1、X2、X3號(hào)按鍵出現(xiàn)自動(dòng)撥號(hào)的現(xiàn)象。通過(guò)電路原理圖分析與診斷，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象是由于這幾個(gè)按鍵相連的過(guò)孔與相鄰的另一個(gè)埋孔相連的一個(gè)電阻(R102)的信號(hào)干擾引起。

通過(guò)絕緣電阻測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該電阻相連的金屬化埋孔與這幾個(gè)按鍵相連的過(guò)孔之間的絕緣電阻已經(jīng)明顯下降(位置見(jiàn)圖5):

圖5 電路原理圖分析發(fā)現(xiàn)電阻下降的區(qū)域

然后對(duì)該故障點(diǎn)進(jìn)行縱向豎磨切片分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致絕緣電阻下降的根本原因是PCB內(nèi)相鄰的金屬化孔之間發(fā)生了CAF現(xiàn)象(見(jiàn)圖6：）

圖6 絕緣電阻下降區(qū)域切片發(fā)現(xiàn)的CAF

四、如何預(yù)防CAF的形成

在高密度布線(xiàn)、密集布孔的產(chǎn)品上，如何預(yù)防CAF的形成，生產(chǎn)出高可靠性的PCB，保證其在整個(gè)壽命周期內(nèi)的絕緣性能，已經(jīng)成為越來(lái)越多的PCB制造商高度關(guān)注的問(wèn)題之一，這對(duì)覆銅板的電氣絕緣性能、PCB的生產(chǎn)工藝都提出了更高的要求。

從CAF的形成過(guò)程來(lái)看，CAF的形成必須同時(shí)具備5個(gè)基本條件:

(1)銅;

(2)水汽;

(3)電解質(zhì)(導(dǎo)電的雜質(zhì)離子物質(zhì));

(4)偏壓(Bias);

(5)可供離子遷移的通道,

當(dāng)玻纖束兩端在工作中出現(xiàn)偏壓(Bias),高壓陽(yáng)十分的金屬銅在水汽中會(huì)首先出現(xiàn)腐蝕而氧化生成銅離子(Cu*或Cu2+),在電解質(zhì)(導(dǎo)電的雜質(zhì)離子，如板材樹(shù)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(huì)沿著通道(玻纖裂紋)緩慢向另一端陰極進(jìn)行遷移。同時(shí)陰十分的電子也會(huì)往陽(yáng)極移動(dòng)，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(xiàn)漏電短路的問(wèn)題了，這就是銅離子遷移的過(guò)程。一旦出現(xiàn)短路則導(dǎo)電陽(yáng)極絲因過(guò)高的發(fā)熱而又可能將CAF燒斷，只要潛在因素尚未消除，不久還會(huì)再次失效，如此周而復(fù)始成了不能除的“癌癥”。

從PCB和PCBA制程及產(chǎn)品使用環(huán)境來(lái)看，上述前4個(gè)條件幾乎很難避免，只有第5個(gè)條件則可由孔距的設(shè)計(jì)、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(shù)脂的浸潤(rùn)程度)、PCB的鉆孔參數(shù)控制及鉆頭的選用、適當(dāng)?shù)娜ャ@污(Desmear)及生產(chǎn)環(huán)境(潮濕和離子污染)等方面進(jìn)行預(yù)防控制。

CAF的預(yù)防是一門(mén)綜合性課題，具體包括PCB設(shè)計(jì)(如孔與孔間距、孔與線(xiàn)間距設(shè)計(jì))、板材的生產(chǎn)工藝(如樹(shù)脂固化劑的選擇和配方、樹(shù)脂中雜質(zhì)離子的控制、樹(shù)脂的耐熱性、玻纖布的開(kāi)纖程度、銅箔銅牙長(zhǎng)度等)、PCB的制造工藝(層壓壓板時(shí)高溫壓合程式特別是高溫段的固化溫度和固化時(shí)間、鉆孔參數(shù)如進(jìn)刀量和總偏轉(zhuǎn)控制及鉆頭的選擇以管控孔壁粗糙度和玻纖裂紋長(zhǎng)度、去鉆污參數(shù)以管控芯吸(Wicking)長(zhǎng)度)、PCBA焊接和使用過(guò)程的影響(如長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中)等，這些過(guò)程環(huán)環(huán)相扣密不可分。