抗CAFPCB特性分析及性能对比测试报告.docx

抗CAF PCB特性分析及性能对比测试报告前言随着电子设备在提高功能和性能的同时也向小型化、轻量化迅速发展，使得印制线路板的线路也越来越细，间距越来越小，绝缘层越来越薄，钻孔尺寸也向更小更密的方向发展，并且由于信息传输速度的提升及为减少发热起见，使得印制板所承受的工作温度在不断地上升，这一切都增加了C A F形成的可能性。伴随讯号传输的速度不断加快，工作电压也不断降低(由30年前的12V，到20年前的5V，到今日的1.5V，甚至数年后的1V以下)，使得微小瑕疵都将导致传输故障，因此人们对产品的可靠性提出了更高的要求，而CAF的生长并导致产品失效需要一个过程，使其具有较强的隐性，也使得其成为电子基础设施、汽车电子和长期数据存储等用途产品重点关注的隐性风险。1、 CAF生长的机理导电性阳极丝(CAF：Conductive Anodic Filamentation)是可以导致电气短路的电化学腐蚀过程的副产物。通常表现为从电路中的阳极发散出来，沿着玻纤与环氧树脂之间界面表面朝着阴极方向迁移，形成导电性细丝物。它通常发生在过孔与过孔之间、过孔与内外层导线之间、外层或外层导线与导线之间，从而造成两个相邻的导体之间绝缘性能下降甚至造成短路，上述表现方式如下图1所示。CAF失效的产生一般分为两个阶段：阶段1：高温高湿的环境下，使得环氧树脂与玻纤之间的附著力出现劣化，并促成玻纤表面硅烷偶联剂的化学水解，从而在环氧树脂与玻纤的界面上形成沿着玻纤增强材料形成CAF泄露的通路；阶段2：铜腐蚀的水解反应，形成铜盐的沉积物，并在偏压的驱动之下，形成CAF生长。其化学反应式为：(1)Cu Cu2+ +2e- （铜在阳极发生溶解） H2O H+ + OH- 2H+ + 2e- H2(2)Cu2+ + 2OH- Cu(OH)2 （铜从阳极向阴极方向发生迁移） Cu(OH)2 CuO + H2O(3) CuO + H2O Cu(OH)2 Cu2+ + 2OH-（铜在阴极沉积） Cu2+ +2e- Cu2、影响CAF形成的因素（1）基材的选择对现在业界经常使用的G- 10（一种非阻燃的环氧玻璃布材料）、 聚酰亚胺材料（PI）、 -三氯树脂（BT）、 氰酸酯（CE） 、环氧玻璃纤维布（FR- 4）、CEM -3（一种非阻燃的短切毡玻璃材料）、MC-2（一种混合的聚酯和环氧玻璃板，芯部为短切毡玻璃材料）、 Epoxy j/Kevlar，各种材料中形成CAF的敏感性程度如下：MC-2Epoxy/KevlarFR-4PIG-10CEM-3CEBT（2）导体结构对于过孔与过孔之间、过孔与内外层导线之间、外层导线与外层导线之间的四种典型导体结构。其中过孔之间的导体结构最容易形成CAF。（3）电压梯度的影响电压梯度是CAF形成敏感性的另一个关键因素。同等条件下，电压越大CAF形成的越快。（4）助焊剂的影响焊接过程中，聚乙二醇会扩散进环氧基板。聚乙二醇的吸收，增加了基板的吸湿性从而使得性能下降。（5）潮气PCBA使用过程中潮气的吸收给电化学腐蚀提供反应媒介。3、 CAF试验（1） 典型CAF试验板结构 这里，我们的试验板选的是A方案，PCB和实物如下所示： （2）试验方案根据我们公司线路板设计规范，选择10/18、12/24、20/32、28/42、36/50五种常用的过孔，每种过孔边缘之间的距离由小到大分别为：0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.2mm同样的方案，一种选用防CAF的PCB板材，一种选用普通的PCB板材，对比试验看防CAF的板材是否确实有效果。（3）试验环境业界普遍采用的试验环境：1、环境温度：85摄氏度2、相对湿度：85%3、直流电压：100V4、试验时间：1000h我们的试验环境：1、整机气候试验环境2、直流电压：24V3、试验时间：1000h（4）实验结果由于CAF实验是一个慢性的过程，且对实验环境要求非常苛刻，而我们公司没有高温高湿的试验环境，所以经过4个月的时间，R1R20两端的电压基本没有发生变化，仍然是24V左右，所以我们的试验板没有形成CAF。由此，说明CAF的形成对环境和时间的要求很高。4、CAF对我公司产品的影响（1）现象描述：2008年10月位于福建泉州惠安青山湾的泉州大唐明珠度假村（酒店）购买了80台LC26ES60，并开始试营业，2009年5月正式开业，反馈有很多机器出现了声音、遥控、存储等不良现象。（2）问题分析：研发人员赶到现场，迅速分析出现问题的12块故障主板，其中两块声音杂乱的故障板，经查均为声音滤波支路（1.5V）电容引脚对3.3V电源过孔漏电，漏电电阻测量为11K，电压差只有1.5V，过孔间孔壁距离0.8mm。另外有一块板发生插座引脚对地过孔漏电导致SDA电压下降到1.5V（应为3.3V），两者孔壁距离达到1.3mm。具体位置见下面的示意图：35012465中C562引脚（滤波,1.5V电压)对音频供电3.3V漏电，导致声音变小，杂音很大。孔壁间距离为0.8mm，同样现象的故障板有2块。35012465 PCB有一块插座XS504第三脚对地出现漏电，与它相邻过孔壁间距是1.3mm。（3）酒店所处的地理位置：酒店处在临海的位置，符合高温高湿的地理环境，且水蒸气中盐份含量较高。（4）故障原因查找：经过对大量故障机的分析研究，主板故障归结为PCB过孔之间漏电，绝缘不良，而且发生在PCB内层，用刀片从上、下表面割断失效过孔之间的联系，故障依旧。（5）结果分析：根据现场情况分析和5所检测结果，判断此次福建厦门、泉州等地酒店机主要问题为PCB板的CAF失效，即PCB板在特定条件下产生导电性阳极丝（CAF：Conductive Anodic Filamentation）。5、关于CAF失效原因分析对于福建酒店机故障，经查发生问题的PCB设计文件过孔设计距离为0.5mm，检测到的0.41mm是加工误差所致。但需要指明的是，对于CAF的形成，电场条件是最后一个因素，而电场强度E与电位差U成正比，和距离d成反比，并不是说0.5mm就是一个防火墙或判据。 随着BGA封装的小型化，我们未来需要使用到0.38mm过孔间距；而目前电脑主板实测孔孔距离达到0.17mm，手机甚至最小的孔孔距离达到0.1mm。事实上，1.5V电压差/0.8mm和3.3V电压差/1.3mm的过孔均出现了CAF失效，也进一步说明0.5mm间距不能保证不发生CAF失效，也说明此次问题的发生与PCB板材恶化有很大关系。综上所述，由于过孔的距离越来越小，所以CAF的防范需要多从PCB材料、加工工艺等多方面诱因入手进行改善，不能把失效原因简单归结为PCB过孔距离不足，以免忽视了问题的根源。经过对行业信息的了解，目前应用比较广泛的防止CAF的板材主要有南亚的FR-4-86型号和生益的SH1000H型号，特别是前者在彩电行业中均有使用，我们现有PCB厂家能提供这种使用这种材质的PCB。我司目前内销机型主芯片是BGA封装的双层板板材都已切换成台湾南亚抗CAF板材FR-4-86 。经过半年多的推广之后，CAF失效问题的得到了较好抑制，至今尚未发现PCB板的CAF失效问题，增加了主板的稳定性及整机产品的可靠性。