CAF阳极离子迁移

CAF阳极离子迁移原理：由于 PCB 基材的绝缘层是由树脂与玻璃布所构成，当在高电压状态下，通孔与通孔、 线路与线路、线路与通孔间形成一个电场，而 PCB 湿制程很多，水分中或板面清洁不良残 留的电解质可能经由钻孔产生的微裂缝顺着玻璃纤的方向迁移产生短路，造成绝缘失效，这 种现象称为CAF阳极性玻纤丝的漏电现象。CAF测试通过监控测试单元的电阻，当CAF 发生时，绝缘层的绝缘性能下降，电阻也随之下降，由此可判断CAF的失效。测试标准：IPC-TM-650 2.6.25模块要求：1. IPC-9253 和 IPC-9254 A1-A4 测试结构10层板，尺寸大约125*175mm。测试板需要为CAF测试钻不同孔壁间距的孔。这些距 离可以低到0.15mm，为了有很高的阻抗阳极离子迁移和最小的镀通孔灯芯；距离最大可以 达到0.89mm，用来测试压合的程序。钻孔的大小在图表中有规定来保持一致的间距。测试 板的玻纤方向应该与同网络的 A1-A4 的测试孔垂直。测试板的设计需要有足够的外层空间 保证不会出现表面绝缘的失效。A1-A4每组有5排导通的通孔。每组中有42个通孔，有的连接到阳极，有的连接到阴 极。通过在不同组或环状通孔间，使用不同的刀径钻同样的1mm,来保持每个结构中的孔 边间距不同。除了钻孔用的刀大小不一致和一些盘的小改动之外， 4个结构是一样的。这4 个结构A1-A4通过玻璃纤维连接在一起。因为A1-A4容易在一个方向上发生阳极离子迁移， 所以测试板的玻纤方向应该与同网络的测试孔垂直。A和B测试结构中，内层和外层的盘是一样的，在给定的测试结构中，盘的大小通常 是一样的，虽然在每个结构中都会变化。所有第2层中电导通的通孔在第9层中重复出现， 所以单层的蚀刻不会造成影响。孔与电极的连接在内层而不是在外层，来降低外层绝缘失效 的可能性。b) IPC-9254IPC2625 1图1两种CAF测试版的设计AlA2A3A4Outer layer pad size0.86 mim Q.0339 in0.81 mm 0.03119 in0.75 mm 0.0295 in0.69 mm 0.0272 inInner layer pad size0.S6 mim Q.0339 ini 0.03119 in0.75 mm 0.0295 in0.59 mm 0.0272 inDrilled hole size0.74 mm 0.0291 ini 0.0248 in0.51 mm 0.0201 in0.37 mm 0.0146 inVia edge to via edge (shortest distance)0 27 mm 0.0106 in0.38 mm 0.0150 in0.S1 mm 0.0201 in|0.65 mm 0.0256 inVia edge to via edge (Manhattan Distance)0 27 mm 0.0106 in0.38 mm 0.0150 in0.51 mm 0.0201 in|0.65 mm 0.0256 inOn IIPC-9254 only, bias applied between：JI, J55J3, J5J4. J5表 1 A1-A4 结构设计规则2. IPC-9253 和 IPC-9254 B1-B4 测试结构4个B测试结构中，有7组交互的通孔。每组中有26个或27个连接到阳极或阴极的通 孔。在给定的测试结构中， 10 层中内层和外层的盘是一样的。虽然在给定的测试结构中， 每个盘的大小是一样的，但是在不同的结构中盘的大小也随之变化。层1 中出现的孔和电极 导通，同样在第 10 层出现，单层的蚀刻不会造成影响。B1IB2IB3B4Outer layer pad size0.94 mim 0.0370 in0.89 mm |0.0350 in0 84 mm 0.0330 in0.75 mm 10.0300 inInner layer pad size0.94 mm 0.0370 inn 0.0350 in0.84 mm 0.0331 in0.75 mm |0.0295 inDrilled hole size0.81 mm 0.0319 inn 10.0280 in0.57 mm 0 0224 in0J6 mm |0.0181 inVia edge to via edge (shortest distance)0 26 mm 0.0102 in0.37 mm |0.0146 in0.51 mm 10.0201 in|0.62 mm |O.O244 inVia edge to via edge (Manhattan Distance)0.37 mm 0.0146 in0.52 mm |0.0205 in0.72 mm 0.0283 in0.88 mm 0.0346 inOn IPC-9254 only., bias applied between：J7, J11J0, Ji 1J9. Ji 1J10, J11表2 B1-B4测试结构的设计规则图 2 CAF 测试板通孔-通孔间距设计3. 其他结构C结构用来测量镀通孔到平面层的距离。如果测试中包含这块，则按照IPC-A-47或者IPC-2221中的图形设计IPC-9253中的D方案是用来测量压配合销连接器装置的CAF阻抗。扎环览璽小戟破盘榊切懐一种岱况3羽一皐 和;说试斡&E拒牧边界蚂025 Q OCWS41用il託徒裁戊岳中心氏的也瞰船動第:种情况O 在堆此吧勺fv 包摘礼坏接收拒nn-MEi|i|-Jt.ft fu* X満足廉小 环垃4. CAF测试板设计这个需要测量电路板内部导体之间的绝缘阻抗的 10 层测试板，需要有以下这些用来测 试孔-孔CAF阻抗值的关键特征。（如图2）线状排列的孔：两组42个信号-1的通孔和三组42个信号-2的通孔网状分布；每段间 距总共 168 个可能失效的镀通孔-镀通孔。孔错列（最近的镀通孔-镀通孔的斜间距）：三组26个信号-1 的通孔和四组 27个信号-2 的通孔网状分布；每段间距总共312个可能失效的镀通孔-镀通孔。例图：1428个I/O的BGA图案上，有500个power/ground针脚。两个临近针脚间的空间大 概有1000个线-线，孔-孔的实效点。具有三个这样图形的BGA板上，还有1200个无源或 其他与相近的power/ground针脚组成的空间。这样线-线，孑L-孔间CAF失效可能点就有4200 个。/纟/丿L/另 skks/殳 SSSSSSSSSSSS ssmn ssvssm、 金菸寒冬 snms/ zz/* /* SSSAS / / / SSSKV/ z/ / /彳K纟娄/:/户尸 户/ /丿丿 / /;/ ;/：zz户尸尸;z%/丿/5 丿 srz/z s/z/，/: 尸/ / /7/ /丿 Sr/ / Sr/ / / /; / /一； ;/ / / / 丿/ /丿 /XJ/ 、艮、 / Z/ /，/?/ /丿 / /、 /、 /，/、 *s/ 1 Sr/ : /、 z/mm 、s、%、 $勺 、%、 、.、 mm 、.S、4SWA 、%、928 Signal Pins500 Power/GND Pins心沁仪器材料：1. 干净的测试仓，保持652C或者852C和87+3/-2%的相对湿度，带有易于连接到测试 样品的线缆；2. 高等电阻表，最高能够测量1012欧姆并在1002V的直流电压下，1010欧姆阻值时， 保持5%的精度。或者能够读取10-10A的电表，并在1002V的直流电压下能够保持土 5%的精度；3. 电源，10-100V直流电压，公差土2V，电流至少1A；4. 电阻器，用 106 欧姆的电阻串联，保证通过线路的电流不会过大而损坏电路板，但测量 设备和线路的总电阻不得超过200欧姆；5. 连接线，PTFE或PFE的隔热材料包铜线，把线直接焊接在电路板上需要测量的点上；6. 固定装置。试样准备：保持测试样品无污染，做好标记，用无污染手套移动样品。做好预先准备，防止短路和 开路。清洁后连接导线，连接后再清洁。烘干，在1052oC下烘烤6小时。进行预处理， 在中立环境下，保持 232oC 和 505%的相对湿度至少 24h。测试方法：1. 在该测试方法中相对湿度的严格控制是关键性的。 5%的相对湿度偏差会造成电阻量 测结果有 0.5 到 1.0decade 的偏差。在有偏置电压加载的情况下，一旦水凝结在测试样品表 面，有可能会造成表面树枝状晶体的失效。当某些烤箱的空气循环是从后到前的时候，也可 能发现水分。凝结在冷凝器窗口上的水有可能形成非常细小的水滴最终掉落在样品表面上。 这样可能造成树枝状晶体的生长。这样的情况必须被排除，确保能够得到有意义的测试结果。虽然环境试验箱被要求能够提供并记录温度为652C或 852C、相对湿度为87+3/-2%RH 的环境，其相对湿度的波动时间越短越好，不允许超过5 分钟。2. 测量电阻。采用50V的直流偏置电压，用100V的测试电压测试每块板的菊花链网 络的绝缘电阻前至少充电 60S 的时间。偏置电压的极性和测试电压的极性必须随时保持一 致。3. 在初始的绝缘电阻测量后关闭测试系统，使样品在652C或852C、相对湿度为 87+3/-2%RH、无偏压的环境下静置96个小时（30分钟）。96个小时（30分钟）的静置 期后，在每个菊花链网络和地之间测试绝缘电阻。4. 确认所有的测试样品的连接是有效的，每个测试电路对应适当的限流电阻。然后将 测试板与电源相连开始进行T/H/B部分的CAF测试。5. 确认适当的偏置电压已经被加载在样品上进行周期性测试。为了比较不同内层材料 和制程的耐CAF性能，使用100V直流偏压的标准CAF测试条件。为了确认测试结果与实 际寿命之间的关系，第二个偏置电压条件需要选择给定的最高工作电压的两倍。当一个较小 的偏置电压不能有效地区别更多不同的耐CAF材料和制程时，更高的偏置电压由于会线性 地影响失效时间，应该被避免采用。这是因为过高的偏置电压会抵消掉相对湿度的影响，而 相对湿度由于局部加热的原因是非常重要的失效机制部分。6. 在 96 个小时的静置时间后，测试电压和偏置电压的极性必须是始终一致的。7. 在整个测试过程中，建议每24到 100个小时需要换用另外的电阻检测器，确保测试 电压和偏置电压的极性始终一致。在电阻测量过程中，为了保证测试的准确性，如果观察到 周期性的电阻突降，也应该被算作一次失效。因为阳极导电丝是很细的，很容易被破坏掉。 当50%的部分已经失效了，测试即可停止。当CAF发生时，电阻偏小，施加到CAF失效两 端的电压会下降。当测试网络的阻值接近限流电阻的阻值时，显得尤为明显。所以在整个测 试过程中，并不需要调整电压。8. 500 个小时的偏置电压后（一共 596个小时），像之前一样重新进行绝缘电阻的测量。9. 在500小时的偏压加载后，可以进行额外的T/H/B条件。然而，最少要进行500小 时加载偏置电压的测试，来作为CAF测试的结果之一。10. 在确定为 CAF 失效之前，应该确认连接线两端的电阻是不是要小于菊花链区域的 电阻。做法是将菊花链附近连接测试线缆的线路切断。所有的测试结束后，如果发现某块测 试板连接线两端的电阻确实小于菊花链区域的电阻，那么这块测试板就不能作为数据分析的 依据。结果判定：1. 96小时静置后绝缘电阻R1W107欧姆，即判定样本失效。2. 当最终测试绝缘电阻R2V108欧姆,或者在测试过程中有3次记录或以上出现R2V108 欧姆即判定样本失效。