CAF现象.doc

前言 随着电子设备在提高功能和性能的同时也向小型化、轻量化迅速发展，使得印制线路板的线路也越来越细，间距越来越小，绝缘层越来越薄，钻孔尺寸也向更小更密的方向发展，并且由于信息传输速度的提升及为减少发热起见，使得印制板所承受的工作温度在不断地上升，这一切都增加了 形成的可能性。伴随讯号传输的速度不断加快，工作电压也不断降低（由30年前的12V，到20年前的5V，到今日的1.5V，甚至数年后的1V以下），使得微小瑕疵都将导致传输故障，因此人们对产品的可靠性提出的更高的要求，而CAF的生长并导致产品失效需要一个过程，使其具有较强的隐性，也使得其成为电子基础设施、汽车电子和长期数据存储等用途产品重点关注的隐性风险。本文将就笔者发现的实际案例出发，探讨CAF生长对电子产品可靠性产生的潜在风险及控制措施。1 CAF生长的机理导电性阳极丝（CAF：Conductive Anodic Filamentation）是可以导致电气短路或开路的电化学腐蚀过程的副产物。通常表现为从电路中的阳极发散出来，沿着玻纤与环氧之间的界面表面朝着阴极方向迁移，形成导电性细丝物，从而导致导体间绝缘电阻发生突然的难以预料的下降。该项失效模式，在1976年，由Bell实验室的科学家首先得以发现和确认。阳极导电丝的形成首先是玻璃/环氧的物理破坏，然后吸潮导致了玻璃/环氧分离界面出现水介质，提供了电化学通道，促进了腐蚀产物的运输，腐蚀产物在电场作用下从阳极向阴极定向移动，最终形成从阳极到阴极的导电丝。阳极导电丝的形成和基材、导体结构、助焊剂和电场强度等因素相关。阳极导电丝通常发生在过孔与过孔之间、过孔与内外层导线之间、外层或外层导线与导线之间，从面造成两个相邻的导体之间绝缘性能下降甚至造成短路，上述表现方式如下图1所示。 图1 CAF模式阳极导电丝的产生一般分为两阶段：阶段1：高温高湿的环境下，使得环氧树脂与玻纤之间的附著力出现劣化，并促成玻纤表面硅烷偶联剂的化学水解，从而在环氧树脂与玻纤的界面上形成沿着玻纤增强材料形成CAF泄露的通路；阶段2：铜腐蚀的水解反应，并形成铜盐的沉积物，并在偏压的驱动之下，形成CAF生长。其化学反应式为：1）Cu Cu2+ +2e- (铜在阳极发生溶解) H2O H+OH- 2H+2e- H22）Cu2+2OH-Cu (OH) 2 (铜从阳极向阴极方向发生迁移)Cu (OH) 2 CuO+H2O3）CuO+H2OCu (OH) 2Cu2+2OH- (铜在阴极沉积)Cu2+2e-Cu2 影响CAF形成的因素1）基材的选择对于现在业界经常使用的G-10(一种非阻燃的环氧玻璃布材料) 聚酰亚胺材料（PI）-三氮树脂（BT）氰酸酯（CE）环氧玻璃纤维布（FR-4）CEM-3(一种非阻燃的短切毡玻璃材料) MC-2(一种混合的聚酯和环氧玻璃板，芯部为短切毡玻璃材料) Epoxyj/Kevlar。各种材料中形成CAF的敏感性程度如下： MC-2Epoxy/KevlarFR-4PIG-10CEM-3CEBT2）导体结构导体结构是影响CAF的关键因素，对于孔与过孔之间、过孔与内外层导线之间、外层或外层导线与导线之间的三种典型导体结构。其中过孔之间的导体结构最容易形成CAF。3）电压梯度的影响随着导体之间电场强度的变化，玻璃/树脂之间腐蚀物质的转移能力也发生变化，电场强度越高，CAF形成越快，电压梯度是CAF形成敏感性的另一个关键因素。电压梯度和阳极导电丝失效的平均时间的关系可以表示为：L2/V。4）助焊剂的影响研究表明，在焊接过程中，由于基板温度很到，助焊剂中的溶剂聚乙二醇会扩散进入环氧基板。聚乙二醇的吸收，增加了基板的吸湿性从而使得性能下降，导致玻璃/树脂界面的水分大大增加，导致了腐蚀和破坏的加剧。5）潮气 电子产品在使用过程中，由于环境条件的变化，对CAF也会造成影响，其中湿度的影响最为关键，PCBA使用过程中潮气的吸收给电化学腐蚀提供反应媒介，当湿度低于一定的临界值时，CAF很难产生。因此，控制运输和存储的过程非常关键。3 CAF失效案例分析某一款安保产品在使用初期工作正常，但在使用一段时间后，特别是到了天气潮湿3-4月份大量产品出现功能性故障。经电路排查，发现是由于图2中的两导通孔之间的漏电，导致产品功能性故障。用高精度多功能数字万用表测量图2中的导通孔之间的电阻，发现正常品表现为开路，而失效品则为几个千欧。对图2中的两导通孔作外观检查无异常，去除与此两导通两连的外部电路，将表面绿油刮除并作清洗，两孔间绝缘电阻下降现象无改观，说明在两孔之间的基材内部存在某种导电物质使得两孔之间的电气绝缘间距降至安全间距之下。对图2中两导通孔部位作金相切片分析，发现CAF生长明显，且使两孔间的电气绝缘间距缩小了50%以上，详见图35。通过上面的分析，我们可以得出：由于安保产品长期的带电工作，加之3-4份潮湿的大气环境，为CAF生长提供必要的外部条件；基材玻纤之间余隙，电镀的芯吸又为CAF生长提供内部条件；二者综合的因素使得产品3-4月份大量出现功能性故障。图2 出现绝缘电阻异常的导通孔外观图图3 出现绝缘电阻异常的导通孔截面图图4 图3中CAF现象明场下的放大图 图5 图3中CAF现象暗场下的放大图4 小结由于电子产品向轻、小型化发展，使得PCB的线间距细密化，层间薄型化，孔距则进一步缩小，使得绝缘性能成为可靠性重点关注的问题。 CAF生长将导致相邻的导体之间绝缘性能下降甚至造成短路，并最终使产品失效。CAF生长需要一定