PCBA CAF失效機(jī)理分析和材料預(yù)防

文/石謹(jǐn)寧 羅錦超

1 CAF失效機(jī)理

1.1 CAF生長機(jī)理

CAF（Conductive Anodic Filament）即 導(dǎo)電陽極絲，是導(dǎo)電物質(zhì)在外界偏壓電場的作用下，通過非金屬基材而遷移運(yùn)動的過程。

CAF，通常表現(xiàn)為從電路中的陽極發(fā)散出來，沿著PCB的玻璃纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面，朝著陰極方向遷移沉積，進(jìn)而形成導(dǎo)電性細(xì)絲物。

CAF，通常發(fā)生在孔與之間、通孔與內(nèi)(外)層導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，從而造成兩個(gè)相鄰體絕緣材料的絕緣性能下降甚至造成短路。

1.2 CAF生長過程

CAF失效的生長過程，一般分為2個(gè)階段：

階段1：高溫濕環(huán)境下，使得玻纖與氧樹脂之間的附著力出現(xiàn)劣化，并促成玻纖表面硅烷偶聯(lián)劑的化學(xué)水解，從而在玻纖與環(huán)氧樹脂的界面上，形成沿著玻纖增強(qiáng)材料促成CAF生長的通路；

階段2：Cu腐蝕的水解反應(yīng)，并形成Cu鹽的沉積物，并在外界偏壓的驅(qū)動下，逐漸形成CAF。

1.3 CAF失效模式

通過切片可以從中觀察到常見的CAF失效模式。一般來說CAF失效現(xiàn)象有兩種存在形式。

一種是沿著玻璃纖維方向生長，類似芯吸現(xiàn)象?！靶疚?yīng)”是超細(xì)纖維特有的性能，是指超細(xì)纖維中孔細(xì)，接近真空時(shí)，近水端纖維管口與水分子接觸形成纖維中真空孔隙，此時(shí)大氣壓值超過纖維內(nèi)部的真空，水就自然壓積進(jìn)入纖維孔隙中，纖維孔隙越細(xì)，芯吸效應(yīng)愈明顯，這種芯吸透濕效應(yīng)愈強(qiáng)。當(dāng)銅箔或其他焊面發(fā)生電遷移后，形成的絮狀或樹狀生長物同樣也會發(fā)生芯吸現(xiàn)象，且該現(xiàn)象還會繼續(xù)導(dǎo)致電化學(xué)遷移，加劇生長物生成的速度。PCB CAF現(xiàn)象多發(fā)生在芯吸最嚴(yán)重位置，在玻璃纖維邊緣存在空隙；另一種是層壓板內(nèi)層與材料分層，CAF沿著分層處生長。

2 CAF案例分析

2.1 失效現(xiàn)象描述

失效樣品為LED開關(guān)電源，輸出電壓為3.8V。故障現(xiàn)象為電源空載有輸出，但是帶負(fù)載5-15分鐘不等后無輸出，靜置一段時(shí)間后能夠恢復(fù)正常。

2.2 失效問題定位

首先對失效樣品進(jìn)行非破壞性分析。外觀檢查確認(rèn)無異常后后可以進(jìn)行一些非破壞性的電氣測量，經(jīng)多方面的量測并與良品電源，定位發(fā)現(xiàn)電源主控芯片部分引腳電壓出現(xiàn)異常，并觸發(fā)保護(hù)。

2.3 失效原因分析

根據(jù)定位問題點(diǎn)，排查開機(jī)時(shí)SNSOUT引腳上3.8V的來由。經(jīng)過分段割線的機(jī)械方式逐一進(jìn)行排查，避免因焊接等電氣因素對失效現(xiàn)象導(dǎo)入影響因子，最終發(fā)現(xiàn)在切斷電源主控制小板的連接端子CN2B-Pin1REF的同時(shí)用直流源替代該引腳電壓(5V)，量測CN2B Pin2（該點(diǎn)連接IC2 5腳的SNSOUT，屬等電位）沒有異常高電平電壓，此時(shí)電源可以正常啟機(jī)，不良現(xiàn)象消失。

由此初步得出可能的結(jié)論是，電源的失效問題來源于CN2B-Pin1腳和Pin2 腳之間的漏電現(xiàn)象。

2.4 失效品材料排查

依據(jù)上述現(xiàn)象和原因，針對PCB材料進(jìn)一步分析，并同PCB廠商做板材制程和材料問題排查。

對PCB基材原料玻璃纖維布進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)不良PCB中間層存在空隙，導(dǎo)致電鍍沉銅過程中活化劑和銅離子浸入空隙中，發(fā)生反應(yīng)后銅金屬附著，形成了導(dǎo)電通道，出現(xiàn)漏電現(xiàn)象。

分析懷疑可能與制程中鉆孔的鉆咀刀刃缺損有關(guān)，調(diào)查過往記錄，發(fā)現(xiàn)2017年某月份生產(chǎn)記錄報(bào)表中顯示當(dāng)時(shí)生產(chǎn)有損壞孔16pcs，原因是未考慮到鉆咀刀刃缺損影響而導(dǎo)致拉傷玻璃纖維布，出現(xiàn)基材空洞，廠商處理方式是對目視損壞孔做報(bào)廢處理，而對輕微損傷未做處理，由此初步懷疑CAF失效板材來源于漏流入下一階段工藝生產(chǎn)的損壞孔板材。

2.5 改善對策

依據(jù)上述現(xiàn)象及原因，我司提供PCB板更換并確認(rèn)不良電源已修復(fù)后返還給客戶。同時(shí)針對失效樣品的材料來源，制定切實(shí)有效的長期對策。對PCB板材工藝管控，要求PCB板材廠商進(jìn)行提供預(yù)防改善對策。

（1）廠商制定鉆咀刀缺口工藝的詳細(xì)檢查表；

（2）廠商對鉆咀刀刃損壞后鉆出的PCB板進(jìn)行切片檢查孔壁是否有損傷到玻璃纖維布，再確定是否生產(chǎn)或報(bào)廢；

（3）鉆機(jī)自檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)鉆咀缺口損壞報(bào)警，立即進(jìn)行更換。并將PCB分開放置，由品質(zhì)部對損傷前最近批PCB板進(jìn)行切片處理，并做試板確認(rèn)后再決定生產(chǎn)或報(bào)廢處理，避免不良品外流。

3 CAF失效處理和預(yù)防

3.1 PCBA CAF現(xiàn)象預(yù)防要點(diǎn)

根據(jù)失效模式和機(jī)理，總結(jié)針對PCBA CAF現(xiàn)象可以從3個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防和管控。

3.1.1 PCB設(shè)計(jì)

（1）通孔應(yīng)設(shè)置最小間距要求，一般根據(jù)PCB廠家的制程能力要求間距≥0.4mm；

（2）若無法達(dá)到最小間距要求，則相鄰網(wǎng)絡(luò)信號不能有敏感信號或長時(shí)間較高的偏壓信號；

（3）對于多孔并排的通孔，盡量呈45°交叉排列；

（4）在PCB廠家進(jìn)行工程確認(rèn)時(shí)，需要增加CAF安全間距的確認(rèn)；3.1.2 PCB選材要求

（1）PP片材中抵抗CAF能力為：1080>2116>7628，即1080PP片最不容易產(chǎn)生CAF失效，應(yīng)優(yōu)先選擇；

（2）PP填充料優(yōu)先選擇對CAF抵抗能力較好的S1000H；3.1.3 PCB廠商要求

（1）降低鉆床進(jìn)刀速度，避免因鉆頭速度過高引起玻璃纖維產(chǎn)生拉須（如從80降到50）；

（2）對鉆咀刀刃定期進(jìn)行檢查，損壞的刀頭應(yīng)及時(shí)更換；

（3）針對每批次應(yīng)進(jìn)行抽樣切片檢查，如發(fā)現(xiàn)玻璃纖維受損的板材不能進(jìn)入下步工藝。

3.2 CAF失效定位和分析方法

3.2.1 預(yù)分析

當(dāng)懷疑PCB有CAF發(fā)生時(shí)，先用電測與割斷線路的方法逐步縮小CAF定位的范圍，必要的時(shí)候需要移除PCB上的電子零件，以免造成干擾。通過Gerber排查PCB結(jié)構(gòu)中是否有通孔太近或線路較近的問題，重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注。

3.2.2 微觀分析

在未明確是否為CAF影響時(shí)，對重點(diǎn)區(qū)分后的PCB板先做無損分析，順序依次是從表面檢查、微觀分析（X-ray等）、熱點(diǎn)檢查、表面成分分析等，如無觀察到異常物質(zhì)，可進(jìn)一步進(jìn)行破壞性分析，切片研磨分析，使用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，更深入地研究可以使用SEM＆EDS（能散散射X線光譜儀）分析（通過聚焦的很細(xì)的電子束照射被檢測試驗(yàn)表面，檢測二次電子或背散射電子信息進(jìn)行形貌觀察，同時(shí)測量電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X-射線波長與強(qiáng)度，對微小區(qū)域進(jìn)行元素定性和定量分析）。

3.3 PCB材料檢驗(yàn)方法

3.3.1 測試治具

在測試板設(shè)計(jì)中4個(gè)B測試結(jié)構(gòu)，有7組交互的通孔。每組中有26個(gè)或27個(gè)連接到陽極或陰極的通孔。在給定的測試結(jié)構(gòu)中，內(nèi)層和外層的盤是一樣的。

3.3.2 試驗(yàn)設(shè)備

高精度萬用表電阻檔或高精度電阻表；

電源（10-100V直流電壓，電流至少1A）；

電阻器，用106歐姆的電阻與測試板串聯(lián)，保證通過線路的電流不會過大而損壞電路板；

連接線，使用PTFE或PFE的隔熱材料包銅線，同時(shí)保證測量設(shè)備和線路的總電阻不得超過200歐姆；

恒溫恒濕箱，并提供干凈的絕緣測試平面臺；

PCB測試板，5pcs。

3.3.3 試樣準(zhǔn)備

保持測試樣品無污染，做好標(biāo)記，用無污染手套移動樣品。做好預(yù)先準(zhǔn)備，防止短路和開路；

清潔后連接導(dǎo)線，連接后再清潔；烘干，在105±2C下烘烤6小時(shí)；

預(yù)處理，在中立環(huán)境下（未加偏壓），保持23±2C和50±5%的相對濕度至少24h。

3.3.4 試驗(yàn)方法

測量PCB板絕緣電阻時(shí)的方法為，采用100V的直流測試電壓充電60S后測試絕緣阻抗，防止水汽對測試結(jié)果造成影響，試驗(yàn)方法如下：

嚴(yán)格控制溫濕度，將恒溫恒濕箱設(shè)置為85±2℃、85±2%RH的環(huán)境；

使樣品在無偏壓的環(huán)境下靜置96個(gè)小時(shí)（±30分鐘），每24小時(shí)測試一次絕緣阻抗R1。

3.3.5 結(jié)果判定

96小時(shí)無偏壓靜置后絕緣電阻R1≤107歐姆，即判定樣本失效；

96小時(shí)加偏壓靜置最終測試絕緣電阻R2<108歐姆，或者在測試過程中有3次記錄或以上出現(xiàn)R2<108歐姆即判定樣本失效。

4 總結(jié)

CAF現(xiàn)象的發(fā)生能夠使導(dǎo)體間的絕緣電阻下降，通常表現(xiàn)為電氣線路功能異常、孔間漏電甚至短路，嚴(yán)重影響了PCBA的可靠性。PCBA CAF的分析定位通常比較隱形，不僅需要耐心尋找定位而且需要正確的方法和準(zhǔn)確的判斷，如何掌握預(yù)防和改善的措施是分析的根本目的。本文通過對客訴不良品的分析過程闡述并總結(jié)，介紹了PCBA的CAF失效機(jī)理和分析方法，同時(shí)提供了對PCB材料從源頭上管控和預(yù)防的建議，預(yù)防CAF現(xiàn)象的發(fā)生，保證了產(chǎn)品的可靠性。