导电阳极丝(CAF,Conductive Anodic Filamentation)是一种在PCB中可能发生的电化学现象。当PCB处于高温高湿环境时,在电压差的作用下,内部的金属离子沿着玻纤丝间的微裂通道与金属盐发生电化学反应,从而发生漏电的现象。
如下图,两条线路、线路与导通孔、导通孔与导通孔之间都会产生CAF现象。随着线路密度的增加,线路之间的间距减小,孔密度的增加,CAF通道产生的路径变短,CAF现象也变成在做PCB可靠性设计时需要考虑的一个重要因素。
CAF现象发生的模式
CAF可能导致PCB出现的故障现象如下:
绝缘电阻下降:由于铜离子迁移形成导电通路,相邻导体之间的绝缘电阻会显著下降。
漏电流增加:由于电流可能会绕过设计的路径,因而漏电流会增加。
电路短路:湿热环境会加速CAF的产生,在极端情况下,可能导致线路之间形成短路。
电压异常:漏电流达到一定程度之后,会导致电路出现电压降低的现象,导致元器件工作异常。
CAF导致短路
在玻璃纤维增强材料中,树脂和玻璃纤维丝之间的间隙是最常见的CAF形成的路径。例如在覆铜板(CCL)含浸的过程中PP中残留气泡较多,压合过程中流胶过大都会形成缝隙,在PCB加工时钻孔参数不当或钻针研磨次数太多,导致孔壁表面凹凸起伏大。都会产生间隙,成为CAF形成的通道。
电化学反应的前提是水和电解质,电势差会加快电化学反应发生的速度。在形成CAF的第一阶段,在缝隙中存在水分和金属盐,在高温高湿环境下,会加剧CAF的形成。当板子通电工作之后,在电势差的作用下,电化学反应加速,这时会产生第二阶段的CAF增长。
形成CAF的电化学反应
基材的吸水率越高,PH值越低,越容易发生CAF。 板子在测试的时候,温湿度越高,吸附的水分越多,电压越高,加快电化学反应,CAF生长得越快。
改善CAF最根本的措施是破坏电化学发生的条件,改善思路是让玻璃纤维与树脂致密结合降低缝隙出现的概率。同时降低树脂的吸水率,避免缝隙中出现水汽,提高材料的耐CAF能力。
树脂:使用高纯度环氧树脂,降低树脂的吸水性,提高树脂的耐热性能,降低在无铅焊接的过程中,树脂分解导致板材出现缝隙的可能性。
玻纤布:树脂与玻纤布的结合越充分,板材的耐CAF能力越强,优先选择开纤程度较好的玻纤布。
铜箔:铜箔的铜牙太长或不均匀,均会增加发生CAF的可能性,优先选取铜牙均匀的铜箔。
压合:压合流胶过大或板边白化会影响材料的耐CAF性能,需要根据板材和压合结构选择合适的压合程序。
钻孔:钻头入刀过快或者钻头磨损严重会导致过孔加工后表面凹凸起伏大,后续在化学湿制程中,表面凹陷处易聚集或包覆金属盐类溶液,渗入细微裂缝中,导致出现CAF问题。钻孔时需选择合适的钻孔参数和较新的钻头,确保钻孔的质量。
除胶渣:残留胶渣会影响电镀的质量,增加CAF失效的几率。
杂质污染:PCB加工过程中如果有金属盐类残留在板面上,吸潮便会形成CAF问题。因此加工过程需避免残铜并充分清洁。