Gids voor PCB CAF-problemen

Spring naar:

• Wat is geleidende anodische filamentvorming
• Historisch perspectief van CAF
• Hoe CAF-falen te voorkomen
• CAF identificeren
• Geleidende anodische gloeidraadweerstandstest
• CAF-bestendige PCB-materialen van Millenium Circuits Limited

Het falen van geleidend anodische filament (CAF) is een veelvoorkomend en groeiend probleem in de elektronica-industrie. Het kan een catastrofale storingsmodus zijn, waarbij zich een geleidend zout met koper kan vormen in printplaten (PCB's). Het is een soort elektrochemische migratie die groeit langs de epoxy- of glasinterface van de anode naar de kathode-ondergrond. Elektrochemische migratie is een proces waarbij geleidende metaalfilamenten over een diëlektrisch materiaal groeien.

Wat is geleidende anodische filamentvorming?

CAF-vorming is de term voor het proces waarmee CAF groeit. CAF-vorming wordt beschreven als een proces in twee stappen:

1. Ten eerste degradeert het harsglas-interface, waarvan wordt aangenomen dat het omkeerbaar is.
2. De tweede fase, de elektrochemische migratie, is niet omkeerbaar.

DLS-storing verwijst naar de elektrische storing die het gevolg is van CAF-vorming. De storing treedt op wanneer het DLS van de anode naar de kathode groeit.

Om CAF te vormen, heb je verschillende dingen nodig:

• Elektrische ladingsdragers, die de vorming van een elektrochemische cel mogelijk maken.
• Water, dat ontstaat door vocht en vochtophoping en het ionische materiaal oplost, waardoor het in zijn mobiele ionische toestand blijft.
• Een zure omgeving in de buurt van geleiders om corrosie aan de anode mogelijk te maken.
• Een spanningsbias, de kracht die de reactie aandrijft.
• Een pad dat de ionen moeten volgen als ze van de anode naar de kathode gaan.

Aangenomen wordt dat vele andere factoren het vormingsproces versnellen, waaronder hoge temperaturen, hoge vochtigheid, herhaalde thermische cycli, hoge spanningsgradiënt tussen anode en kathode, sommige soldeervloeimiddelen en meer. Andere problemen, zoals defecte onderdelen en het overschrijden van de maximale bedrijfstemperaturen, kunnen ook bijdragen aan een DLS-gerelateerde storing.

Historisch perspectief van CAF

CAF werd voor het eerst geïdentificeerd in 1976 door onderzoekers van Bell Lab. De eerste studies omvatten tests van verschillende coatings van UV-uitgeharde harsen met behulp van FR-4 fijne lijn flexibele gedrukte schakelingen. Verdere faalvoorkomende variabelen werden ook bestudeerd, waaronder het aantal glasversterkingslagen, deklaag en de dikte van de epoxy-boterlaag. Onderzoekers ontdekten dat ze de tijd tot falen konden modelleren op een log-normale plot en identificeerden temperatuur, vochtigheid en bias als factoren die het proces versnelden. Ze beschreven ook vier substraatgerelateerde storingen.

In 1979 gebruikten onderzoekers voor het eerst de term CAF om naar deze mislukkingen te verwijzen. Het papier dat het voor het eerst gebruikte, concentreerde zich op hoe materialen en de oriëntatie van de geleiders verband hielden met de vorming van DLS. In datzelfde jaar werd ook het tweetrapsmodel geïntroduceerd. Het onderzoek naar CAF is tot op de dag van vandaag voortgezet, waarbij onderzoekers testen hoe vochtigheid, temperatuur, bias, materialen, oriëntatie van de geleider en andere factoren de vorming ervan beïnvloeden.

Het meeste van dit onderzoek was gericht op traditionele laminaten, zoals FR-4, G-10, BT en MC-2. Meer recentelijk hebben sommigen echter nieuwere materialen toegepast, namelijk CAF-resistente of halogeenvrije laminaten, die doorgaans verbeterde thermische eigenschappen hebben.

In de afgelopen jaren is het steeds belangrijker geworden om te leren hoe CAF-storingen kunnen worden voorkomen, aangezien fabrikanten kleinere PCB's met een hogere circuitdichtheid produceren. Borden worden nu ook meer gebruikt in ruwe omgevingen en omstandigheden waar betrouwbaarheid van cruciaal belang is. Bovendien hebben het gebruik van loodvrij solderen en de toename van materiaalkeuzes de interesse in het onderwerp vergroot.

Hoewel we nu veel meer over CAF weten dan vóór 1976, gaat het onderzoek door. Naarmate de technologie verbetert, leren we meer over waarom CAF optreedt, hoe we het kunnen identificeren en hoe we het kunnen voorkomen.

Hoe CAF-falen te voorkomen

Er zijn veel verschillende maatregelen die u kunt nemen om het risico op CAF-falen te minimaliseren. Er wordt onderzoek gedaan naar manieren om dit probleem te voorkomen, maar het vermijden van de omstandigheden die CAF-vorming mogelijk maken, zal dit helpen voorkomen. Hier zijn enkele van de factoren waarmee u rekening moet houden:

1. Vocht en vochtigheid

Omdat er een elektrolyt voor nodig is, vergroot een hoger watergehalte de kans op DLS-uitval. Een verhoogde luchtvochtigheid leidt tot een hoger vochtgehalte, waardoor de DLS-prestaties afnemen.

2. Processen die leiden tot zuurverontreiniging

Processen die tijdens de fabricage worden gebruikt, kunnen zuurverontreinigingen introduceren, wat de kans op DLS-vorming vergroot. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van enkele soldeervloeimiddelen en het inbrengen van zuurresten tijdens het platingproces.

3. Bias en spanning

Aangezien voorspanning de kracht is die de reactie aandrijft, zal een voorspanning bij hoge spanning de kans op DLS-vorming aanzienlijk verkleinen. Hogere spanningen verminderen ook de CAF-prestaties.

4. Reeds bestaande defecten

Reeds bestaande defecten zoals breuken, holtes, vochtafvoer, contaminatie en verkeerde registratie kunnen ook paden creëren voor problematische filamenten. U moet voorzichtig zijn bij het boren van gaten om geen schade aan het bord te veroorzaken. Dergelijke schade kan deze paden creëren door scheuren, vochtafvoer en andere defecten te veroorzaken. Boorsnelheid, voedingssnelheid en andere factoren beïnvloeden hoe waarschijnlijk het is dat deze problemen optreden. Gedeeltelijke defecten zoals onvolledige overbrugging tussen functies kunnen ook bijdragen.

Hoge temperaturen zoals die van omgevingstemperatuur, herhaalde thermische cycli en reflow met een hoge piektemperatuur zorgen voor meer stress op een board en vergroten de kans op schade en ook DLS-vorming.

5. Materialen

Een andere invloedrijke CAF-foutfactor zijn de materialen die zijn gebruikt om het bord te maken. Het gebruik van DLS-resistente materialen, zoals Millennium Circuits Limited doet, is een van de meest effectieve manieren om DLS-vorming en falen te voorkomen.

Als het gaat om laminaatmaterialen, hebben verschillende onderzoeken van de afgelopen 30 jaar de gevoeligheid voor CAF van verschillende laminaten gemeten. Het onderzoek suggereert dat bismaleimidetriazine (BT) het laminaat is dat het meest resistent is tegen DLS, terwijl MC-2 het meest vatbaar is. Laminaten met een hoge thermische weerstand zijn doorgaans beter bestand tegen DLS-vorming.

Het is echter belangrijk op te merken dat zelfs identiek gespecificeerde laminaatmaterialen van verschillende leveranciers kunnen verschillen in DLS-weerstand. In het algemeen is de gevoeligheid van verschillende laminaten van minst tot meest vatbaar als volgt:

• MC-2
• Epoxy/Kevlar
• FR-4 en PI (ongeveer gelijk)
• CE
• BT

PCB-fabrikanten gebruiken vaak glasafwerkingen en harssystemen om de isolatieweerstand te verhogen en DLS-vorming te voorkomen. Beide materialen worden voor dit doel als nuttig beschouwd. Tests van de twee stoffen hebben echter aangetoond dat harssystemen een grotere impact hebben dan glascoatings. De twee samen gebruiken kan een ideale oplossing zijn.

Verder onderzoek heeft uitgewezen dat met DICY uitgeharde hars minder waarschijnlijk de groei van CAF bevordert dan met fenol uitgeharde hars. Het is minder waarschijnlijk dat afgewerkte vezels dan met warmte gereinigde en weefgetouwvezels DLS vormen, waarbij weefgetouwvezels de hoogste gevoeligheid voor DLS-groei hebben. Vezelreinheid, distributie en weerstand tegen hydrolyse — die helpt om glas-harsbindingen te behouden — beïnvloeden de effectiviteit van glasdoek- of silaancoatings. Harsen met een lage vochtopname, verbeterde pure harscomponenten en versterkte chemische stabiliteit - inclusief weerstand tegen hydrolyse - hebben betere DLS-prestaties.

Andere materiaalgerelateerde factoren zijn onder meer het type afwerking, zoals HASL, ENIG, immersiezilver of immersietin en het type soldeermasker.

6. Ontwerp

Het ontwerp en de fabricage van een PCB speelt ook een cruciale rol bij het bepalen van de DLS-weerstand.

Borden met een kleinere opening tussen spanningsafhankelijke functies falen sneller dan die met grotere tussenruimten, hoewel wordt aangenomen dat dit alleen van invloed is op de tweede stap van het CAF-vormingsproces.

Naast de afstand van gat tot gat en van lijn tot lijn, beïnvloeden de grootte van de geboorde gaten en de dikte van koper in geplateerde doorgaande gaten de DLS-weerstand. Het hebben van meer bevooroordeelde functies verhoogt ook het aantal kansen dat CAF moet vormen. Anodische via's falen ook sneller dan kathodische via's. Ook hun schering- en inslagrichting spelen een rol. Via's verspringend in hoeken van 45 graden hebben een hogere weerstand tegen CAF. Als er na de fabricage holtes, glasstops, vochtafvoer of andere problemen aanwezig zijn, kunnen deze fungeren als reeds bestaande wegen voor CAF-groei.

Andere processen die de kans op CAF-vorming kunnen vergroten, zijn de reflow- en desmeringprocessen.

Veel verschillende aspecten van een PCB, waaronder aspecten van het ontwerp en de fabricage, hebben invloed op de weerstand tegen CAF-vorming. Deze factoren omvatten:

• De gebruikte materialen, waaronder laminaten, resign-systemen en glascoatings.
• Ontwerpfactoren zoals afstand van gat tot gat en lay-out.
• Processen zoals solderen en reflow.
• Spanningsniveaus.
• Bias-spanning.
• Reeds bestaande defecten en andere problemen met de fabricagekwaliteit.

Aangezien zoveel factoren de DLS-prestaties beïnvloeden, moet u DLS overwegen tijdens elke fase van het PCB-productieproces. Het optimaliseren van je board voor DLS-weerstand zal resulteren in een betrouwbaarder eindproduct.

CAF identificeren

Het identificeren van CAF zodra het zich voordoet, is een uitdaging, waardoor het moeilijk te inspecteren en bestuderen is. CAF komt vaak voor in lagen begraven in PCB's. Het kan ook voorkomen naast andere faalfactoren die bijdragen, waardoor het moeilijk te realiseren is wanneer CAF een uitsluitend verantwoordelijke faalmodus is.

U kunt echter verschillende geavanceerde testmethoden gebruiken om CAF-vorming en -falen te controleren en te karakteriseren. Deze tests omvatten IPC-standaard elektrische methoden die bekend staan ​​als Surface Insulation Resistance (SIR)-tests, waaronder:

• IPC elektrochemische migratietesten: Een IPC-standaardtest om de weerstand tegen de stroomstroom over het oppervlak van een PCB-substraat te meten.
• Temperatuur-vochtigheid-bias (T-H-B) testen: Een SIR-test die rekening houdt met de verwerkingstemperatuur, relatieve vochtigheid en verouderingsvochtigheid en spanningsbias.

U kunt ook verschillende methoden gebruiken om DLS-vorming op een PCB af te beelden. Deze technieken omvatten:

• Scanning-elektronenmicroscopie (SEM): Deze methode omvat het gebruik van een primair elektronenstraalkanon dat elektronen door elektromagnetische lenzen in een vacuüm naar de positief geladen anode stuurt. U kunt dit apparaat gebruiken in de secundaire elektronenmodus (SE) — wat ideaal is voor beeldvorming van oppervlaktetopografie — of in de modus met terugverstrooide elektronen (BSE), die atoomnummercontrast mogelijk maakt.
• Energie Dispersieve Spectroscopie (EDS): Deze invallende elektronenstraal kan worden gebruikt om elementen zoals koper, chloor en broom te identificeren.
• Gefocusseerde ionenstraal (FIB): Met deze techniek kun je een oppervlak met hoge resolutie vergroten en vervolgens een dunne dwarsdoorsnede maken om een ​​3D-beeld te verkrijgen.
• Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM): Dit systeem, dat vergelijkbaar is met een lichtmicroscoop, kan materiële fasen identificeren en de kristallografische structuur bepalen.
• Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS): Deze methode, soms ook wel elektronenspectroscopie voor chemische analyse (ESCA) genoemd, is een techniek voor oppervlakteanalyse waarmee chemische verbindingen kunnen worden geïdentificeerd.
• Fourier-transformatie-infraroodspectroscopie (FTIR): Deze techniek analyseert organische bestanddelen en creëert een spectrum van intensiteits- en golflengtemetingen.
• Ionenchromatografie: Dit proces, dat zowel anion- als kationenuitwisselingschromatografie kan zijn, scheidt ionen en polaire moleculen.

Geleidende anodische gloeidraadweerstandstest

Het uitvoeren van een test van de CAF-weerstand van een board helpt om de algehele kwaliteit en betrouwbaarheid te waarborgen. IPC, de handelsvereniging voor de printplaat- en elektronica-assemblage-industrie, heeft een standaard testprocedure voor DLS-weerstand genaamd IPC-TM-650 Method 2.6.25A. Het gebruik van een gestandaardiseerde testmethode zorgt voor gemakkelijk te begrijpen en vergelijkbare CAF-weerstandsclassificaties.

Voor deze test kunt u couponontwerpen volgens IPC-standaard gebruiken, zoals IPC-9253 en IPC-9254, die 10 lagen hebben en afmetingen hebben van ongeveer 125×175 millimeter, evenals IPC-9255 en IPC 9256. Sommige fabrikanten van originele apparatuur gebruiken hun eigen couponontwerpen. Wanneer u een laminaat test op DLS-prestaties, moet u verschillende ontwerpen gebruiken met een reeks functie-afstanden, lay-outs en gatgroottes.

De IPC-testmethode beveelt het gebruik aan van ten minste 25 testkaarten per monsterpartij per biasniveau, wat 4.200 potentiële in-line, hole-to-hole CAF-faalpunten en 7.800 potentiële diagonale hole-to-hole CAF-falingslocaties oplevert voor elk monster en voorwaarde ingesteld.

De IPC-testmethode omvat het testen van deze platen onder hoge temperaturen van ongeveer 65 of 85 graden Celsius (149 tot 185 graden Fahrenheit) en hoge vochtigheidscondities van 87 procent relatieve vochtigheid (RH). Nadat u 100 volt gelijkstroom hebt toegepast om de eerste isolatieweerstandsmetingen te verkrijgen, ondergaan de monsters 96 uur temperatuur- en vochtigheidsconditionering, gevolgd door nog een ronde isolatieweerstandsmetingen.

Vervolgens ondergaan de monsters minimaal 500 uur testen met een continu aangelegde voorspanning. Voer gedurende deze tijd elke 24 tot 100 uur metingen met hoge weerstand uit. Voer na 500 uur nog een reeks isolatieweerstandsmetingen uit.

Na de test controleert u de gegevens op significante dalingen of kortsluiting met hoge weerstand. Als de kaart faalt en u vermoedt dat het een CAF-storing is, kunt u een storingsanalyse uitvoeren met testmethoden zoals hierboven vermeld om de oorzaak te bevestigen.

De test geeft u een percentage uitval na 500 uur voor elke afstand. Testresultaten kunt u beschrijven in termen van DLS-weerstand of DLS-kwaliteit. DLS-weerstand richt zich op het bepalen of een materiaalsysteem al dan niet vatbaar is voor DLS-vorming en legt geen nadruk op defecten. CAF-kwaliteit is het faalpercentagemodel van een materiaal en kan defecten bevatten.

CAF-bestendige PCB-materialen van Millennium Circuits Limited

Weerstand tegen CAF zou een eerste zorg moeten zijn voor elk printplaatproject.

Naarmate PCB's kleiner worden en functies dichter bij elkaar moeten worden geplaatst, neemt het risico op DLS-vorming toe. Voor boards die onder bepaalde omstandigheden en in toepassingen worden gebruikt waar betrouwbaarheid van cruciaal belang is, zijn CAF-prestaties vooral van vitaal belang.

Dat is de reden waarom alle materialen die Millennium Circuits Limited levert, bestand zijn tegen DLS. We bieden een scala aan materiaalsoorten, flex- en rigid-flex-circuits en oppervlakteafwerkingen, evenals high-power en thermische platen. We bieden ook technische diensten, waaronder het maken van panelen, controle van ontwerpregels en modellering van gecontroleerde impedantie. We verwerken bestellingen van elke omvang, van prototyping tot grote bestellingen met een snelle doorlooptijd.

Voor producten van hoge kwaliteit, uitstekende klantenservice, betrouwbare tijdige levering en concurrerende prijzen, vertrouw op Millennium Circuits Limited voor al uw PCB-behoeften. Blader door onze website om meer te weten te komen over onze mogelijkheden. U kunt ook contact met ons opnemen met al uw vragen en een snelle offerte aanvragen door dit online formulier in te vullen.

Vraag een gratis offerte aan