導電陽極絲(CAF,Conductive Anodic Filamentation)是一種在PCB中可能發生的電化學現象。當PCB處于高溫高濕環境時,在電壓差的作用下,內部的金屬離子沿著玻纖絲間的微裂通道與金屬鹽發生電化學反應,從而發生漏電的現象。
如下圖,兩條線路、線路與導通孔、導通孔與導通孔之間都會產生CAF現象。隨著線路密度的增加,線路之間的間距減小,孔密度的增加,CAF通道產生的路徑變短,CAF現象也變成在做PCB可靠性設計時需要考慮的一個重要因素。
CAF現象發生的模式
CAF可能導致PCB出現的故障現象如下:
絕緣電阻下降:由于銅離子遷移形成導電通路,相鄰導體之間的絕緣電阻會顯著下降。
漏電流增加:由于電流可能會繞過設計的路徑,因而漏電流會增加。
電路短路:濕熱環境會加速CAF的產生,在極端情況下,可能導致線路之間形成短路。
電壓異常:漏電流達到一定程度之后,會導致電路出現電壓降低的現象,導致元器件工作異常。
CAF導致短路
在玻璃纖維增強材料中,樹脂和玻璃纖維絲之間的間隙是最常見的CAF形成的路徑。例如在覆銅板(CCL)含浸的過程中PP中殘留氣泡較多,壓合過程中流膠過大都會形成縫隙,在PCB加工時鉆孔參數不當或鉆針研磨次數太多,導致孔壁表面凹凸起伏大。都會產生間隙,成為CAF形成的通道。
電化學反應的前提是水和電解質,電勢差會加快電化學反應發生的速度。在形成CAF的第一階段,在縫隙中存在水分和金屬鹽,在高溫高濕環境下,會加劇CAF的形成。當板子通電工作之后,在電勢差的作用下,電化學反應加速,這時會產生第二階段的CAF增長。
形成CAF的電化學反應
基材的吸水率越高,PH值越低,越容易發生CAF。 板子在測試的時候,溫濕度越高,吸附的水分越多,電壓越高,加快電化學反應,CAF生長得越快。
改善CAF最根本的措施是破壞電化學發生的條件,改善思路是讓玻璃纖維與樹脂致密結合降低縫隙出現的概率。同時降低樹脂的吸水率,避免縫隙中出現水汽,提高材料的耐CAF能力。
樹脂:使用高純度環氧樹脂,降低樹脂的吸水性,提高樹脂的耐熱性能,降低在無鉛焊接的過程中,樹脂分解導致板材出現縫隙的可能性。
玻纖布:樹脂與玻纖布的結合越充分,板材的耐CAF能力越強,優先選擇開纖程度較好的玻纖布。
銅箔:銅箔的銅牙太長或不均勻,均會增加發生CAF的可能性,優先選取銅牙均勻的銅箔。
壓合:壓合流膠過大或板邊白化會影響材料的耐CAF性能,需要根據板材和壓合結構選擇合適的壓合程序。
鉆孔:鉆頭入刀過快或者鉆頭磨損嚴重會導致過孔加工后表面凹凸起伏大,后續在化學濕制程中,表面凹陷處易聚集或包覆金屬鹽類溶液,滲入細微裂縫中,導致出現CAF問題。鉆孔時需選擇合適的鉆孔參數和較新的鉆頭,確保鉆孔的質量。
除膠渣:殘留膠渣會影響電鍍的質量,增加CAF失效的幾率。
雜質污染:PCB加工過程中如果有金屬鹽類殘留在板面上,吸潮便會形成CAF問題。因此加工過程需避免殘銅并充分清潔。