CAF，电路板内部的腐蚀，第一次听说

电子设计联盟

导电阳极丝 （CAF） 故障是电子行业中常见且日益严重的问题。它有可能成为一种灾难性的故障模式，其中含有铜的导电盐可能会在印刷电路板 （PCB） 内形成。它是一种电化学迁移，沿着环氧树脂或玻璃界面从阳极到阴极亚表面生长。电化学迁移是导电金属丝在介电材料上生长的过程。
什么是导电阳极丝的形成？CAF 形成是 CAF 生长过程的术语。CAF 的形成被描述为两个步骤：

首先，树脂玻璃界面降解，这被认为是可逆的。

第二阶段，电化学迁移，是不可逆的。
& u6 d; p* [/ f* I0 i[/ol]CAF 故障是指由 CAF 形成引起的电气故障。当 CAF 从阳极生长到阴极时，就会发生故障。
! X! J! K/ C; c. z要形成 CAF，您需要具备以下几样东西：
电荷载流子，可以形成电化学电池。
; o# Q. j+ ]$ T5 c水是由于湿度和湿气积聚而产生的，它溶解了离子物质，使它们保持流动的离子状态。
7 }9 h# b7 R4 @; x. M. c3 k, x导体附近的酸性环境，使阳极发生腐蚀。
; T& w, u4 ^5 E$ _- E4 ~电压偏置，即驱动反应的力。
离子从阳极移动到阴极时采取的途径。
许多其他因素被认为会加速形成过程，包括高温、高湿度、反复的热循环、阳极和阴极之间的高压梯度、一些助焊剂成分等等。其他问题（例如组件故障和超过最高工作温度）也可能导致与 CAF 相关的故障。
CAF的历史CAF 于 1976 年由贝尔实验室的研究人员首次发现。第一项研究涉及使用FR-4细线柔性印刷电路对UV固化树脂的不同涂层进行测试。还研究了进一步的故障预防变量，包括玻璃增强层的数量、覆盖层和环氧黄油涂层的厚度。研究人员发现，他们可以在对数正态图上模拟故障时间，并将温度、湿度和偏差确定为加速该过程的因素。他们还描述了四种与基质相关的故障。
1979 年，研究人员首次使用 CAF 一词来指代这些失败。首次使用它的论文侧重于材料和导体取向如何与CAF的形成相关。同年，还引入了两阶段模型。对CAF的调查一直持续到今天，研究人员测试了湿度、温度、偏置、材料、导体方向和其他因素如何影响其形成。
9 X7 e$ i" j5 v  E1 t9 @. |这些研究大多集中在传统的层压板上，如FR-4、G-10、BT和MC-2。然而，最近，一些公司应用了较新的材料，即抗 CAF 或无卤素层压板，它们通常具有更好的热性能。
近年来，随着制造商生产具有更高电路密度的更小 PCB，学习如何防止 CAF 故障已成为一个更紧迫的问题.现在，电路板在可靠性至关重要的恶劣环境和条件下也得到了更多的使用。此外，无铅焊接的使用和材料选择的增加也提高了人们对该主题的兴趣。
尽管我们现在对CAF的了解比1976年之前要多得多，但研究仍在继续。随着技术的进步，我们更多地了解了 CAF 发生的原因、如何识别它以及如何预防它。
如何避免 CAF 失败您可以采取许多不同的措施来最大程度地降低 CAF 失败的风险。关于避免这个问题的方法的研究正在进行中，但避免使CAF形成的条件将有助于防止它。以下是一些需要考虑的因素：

湿度和湿度
[/ol]因为它需要电解质，所以较高的水含量会增加 CAF 失败的机会。湿度增加会导致水分含量增加，从而降低 CAF 性能。

导致酸污染的过程
[/ol]制造过程中使用的工艺可能会引入酸污染，从而增加 CAF 形成的可能性。例如，在电镀过程中使用一些助焊剂和引入酸残留物。

偏置和电压
[/ol]由于偏置电压是驱动反应的力，因此低电压偏置将显着降低 CAF 形成的机会。较低的电压也会降低 CAF 性能。

预先存在的缺陷
+ k) q0 `% C7 H. `7 r& j( i[/ol]预先存在的缺陷，如破裂、空隙、芯吸、污染和配准错误，也会为有问题的细丝创造途径。钻孔时需要小心，以免对电路板造成损坏。这种损坏可以通过引起裂纹、芯吸和其他缺陷来形成这些路径。钻进速度、进给率和其他因素会影响这些问题发生的可能性。部分缺陷（例如特征之间的不完整桥接）也会产生影响。
高温，如环境温度、重复热循环和具有高峰值温度的回流焊，会在电路板上产生更大的应力，并增加损坏的可能性以及 CAF 的形成。

材料
[/ol]另一个影响 CAF 失效的因素是用于制造电路板的材料。 Limited那样，使用抗CAF的材料是防止CAF形成和失效的最有效方法之一。
' b% Q3 b" h5 ?在层压板材料方面，过去 30 年的各种研究已经测量了各种层压板对 CAF 的敏感性。研究表明，双马来酰亚胺三嗪 （BT） 是对 CAF 抵抗力最强的层压板，而 MC-2 最易感。具有高热阻的层压板往往能更好地抵抗 CAF 的形成。
不过，需要注意的是，即使是来自不同供应商的相同规格的层压板材料，其耐 CAF 性也可能不同。然而，一般来说，各种层压板从最易受敏感到最不敏感的敏感性如下：
5 t+ s* Q+ f$ K1 i0 \& K. gMC-2
8 Y) k* O- t& Q7 n9 |8 v. EEpoxy/Kevlar
! r& B( B2 z' e) T2 J9 Q6 J# ^FR-4 and PI (approximately equal)
4 B* ~+ |" k: E% bCE
BT
PCB 制造商经常使用玻璃饰面和树脂系统来增加绝缘电阻并防止 CAF 的形成.这两种材料都被认为可用于此目的。然而，对这两种物质的测试表明，树脂系统比玻璃涂层具有更显着的影响。将两者一起使用可能是一个理想的解决方案。
进一步的研究表明，与酚醛固化树脂相比，DICY固化树脂可能更不可能促进CAF的生长。与热清洁纤维和织机状态纤维相比，成品纤维形成 CAF 的可能性较小，其中织机状态纤维对 CAF 生长的敏感性最高。纤维的清洁度、分布和耐水解性有助于保持玻璃-树脂键合，会影响玻璃布或硅烷涂层的有效性。具有低吸湿性、增强的纯树脂成分和增强的化学稳定性（包括耐水解性）的树脂具有更好的 CAF 性能。
其他与材料相关的因素包括表面处理类型，例如 HASL、ENIG、沉银或沉锡以及阻焊类型。

设计
[/ol]PCB 的设计和制造在确定其 CAF 电阻方面也起着至关重要的作用.
+ |/ O: E' w7 o5 y/ s电压偏置特性之间具有较小间隙的电路板比具有较大间隙的电路板失效更快，尽管人们认为这只会影响CAF形成过程的第二步。
除了孔到孔和线到线的间距外，钻孔的尺寸和电镀通孔中铜的厚度也会影响 CAF 电阻。具有更多偏向的特征也增加了 CAF 必须形成的机会数量。阳极通孔的失效速度也比阴极通孔快。它们的经向和纬向也起着一定的作用。以 45 度角交错的过孔对 CAF 具有更高的抵抗力。如果制造后出现填充空隙、玻璃挡块、芯吸或其他问题，它们可以作为 CAF 生长的预先存在的途径。
其他可以增加 CAF 形成可能性的过程包括回流焊和去胶渣过程。
$ w  v- `5 v! b. }PCB 的许多不同方面， 包括其设计和制造方面， 会影响其对 CAF 形成的抵抗力.这些因素包括：
使用的材料，包括层压板、树脂系统和玻璃涂层。
设计因素，例如孔到孔的距离和布局。
焊接和回流焊等工艺。
- ^% w+ m% O% _$ g) Z9 ^" d电压等级。
% v) M* @  M; l7 b. O7 k& h偏置电压。
5 N1 y; e3 Y4 w! m) f. T# O( i预先存在的缺陷和其他制造质量问题。
4 r4 s7 [- |: X6 }由于影响 CAF 性能的因素太多， 您应该在 PCB 生产过程的每个阶段都考虑 CAF.优化电路板的 CAF 抵抗力将产生更可靠的最终产品。
& o) ?) q0 C- A识别 CAF一旦发生 CAF，就要识别它具有挑战性，因此很难进行检查和研究。CAF 通常发生在埋在 PCB 内的层中.它也可能与其他导致故障的因素一起出现，因此很难意识到 CAF 何时是唯一负责的故障模式。
但是，您可以使用各种高级测试方法来检查和表征 CAF 的形成和故障。这些测试包括称为表面绝缘电阻 （SIR） 测试的 IPC 标准电气方法，其中包括：
IPC电化学迁移测试： 一种 IPC 标准测试，用于测量流过 PCB 基板表面的电流阻力。
5 l. g3 s2 _! ?* R" G温度-湿度-偏置 （T-H-B） 测试： 一种 SIR 测试，考虑了加工温度、相对湿度和老化湿度以及电压偏差。
8 J5 @2 n6 `2 E; V您还可以使用各种方法对 PCB 上的 CAF 形成进行成像。这些技术包括：
扫描电子显微镜（SEM）： 这种方法涉及使用初级电子束枪，该电子束枪通过电磁透镜在真空中将电子发送到带正电的阳极。您可以在二次电子 （SE） 模式（非常适合表面形貌成像）或背散射电子 （BSE） 模式下操作此设备（允许原子序数对比）。
$ t) o7 E! E/ b% g/ a能量色散光谱（EDS）： 这种入射电子束可用于识别铜、氯和溴等元素。
$ y4 l) s) [+ D8 G6 o; ]* r% D聚焦离子束 （FIB）： 使用这种技术，您可以以高分辨率放大表面，然后制作薄横截面以获得 3D 图像。
, l6 E# Q/ S: N) C+ G; ^透射电子显微镜（TEM）： 该系统的工作原理类似于光学显微镜，可以识别材料相并确定晶体结构。
- d5 u( Q& z0 A8 c& |5 |7 T0 QX 射线光电子能谱 （XPS）： 这种方法有时被称为化学分析电子光谱法 （ESCA），是一种可以识别化合物的表面分析技术。
傅里叶变换红外光谱 （FTIR）： 该技术分析有机成分并创建强度和波长读数的光谱。
离子色谱法： 该过程可以是阴离子或阳离子交换色谱法，将离子和极性分子分离。
9 l4 Y  {, o9 k7 l2 F导电阳极灯丝电阻测试对电路板的 CAF 电阻进行测试有助于确保其整体质量和可靠性。IPC 是电路板和电子组装行业的贸易协会，有一个名为 IPC-TM-650 方法 2.6.25A 的 CAF 电阻标准测试程序。使用标准化测试方法可以获得易于理解和可比较的 CAF 抵抗等级。
对于此测试，您可以使用 IPC 标准试样设计，例如 IPC-9253 和 IPC-9254，它们有 10 层，尺寸约为 125×175 毫米，以及 IPC-9255 和 IPC 9256。一些原始设备制造商也使用自己的试样设计。在测试层压板的 CAF 性能时，您应该使用具有一系列特征间距、布局和孔尺寸的设计。
IPC 测试方法建议每个偏置电平每个样品批次至少使用 25 个测试板，这为每个样品和条件集提供了 4,200 个潜在的在线、孔到孔 CAF 故障点和 7,800 个潜在的对角线孔到孔 CAF 故障位点。
0 }3 X, l1 b+ E/ U# C' pIPC 测试方法涉及在大约 65 或 85 摄氏度（149 至 185 华氏度）的高温和 87% 相对湿度 （RH） 的高湿度条件下测试这些板。在施加 100 伏直流电以获得初始绝缘电阻测量值后，样品将经过 96 小时的温度和湿度调节，然后进行另一轮绝缘电阻测量。
然后，在连续施加的偏置电压下，对样品进行至少 500 小时的测试。在此期间，每 24 到 100 小时进行一次高电阻测量。500 小时后，进行另一组绝缘电阻测量。
测试后，您将检查数据中是否有任何明显的跌落或高阻力短路。如果电路板出现故障，并且您怀疑是 CAF 故障，则可以使用上述测试方法执行故障分析，以确认原因。
& W# h; e; x  @& w该测试将为您提供每个间隔在 500 小时内的失败率百分比。您可以用 CAF 抵抗力或 CAF 质量来描述测试结果。CAF 抵抗力侧重于确定材料系统是否易受 CAF 形成的影响，而不强调缺陷。CAF 质量是材料的故障率模型，可能包括基于缺陷的故障。
耐 CAF PCB 材料对 CAF 的抵抗力应该是任何印刷电路板项目的主要关注点.
+ v1 q; Z' C5 X5 {1 j随着 PCB 变得越来越小，并且必须将特征更紧密地放置在一起，形成 CAF 的风险会增加。对于在某些条件下使用的电路板以及可靠性至关重要的应用，CAF 性能尤为重要。