PCBA CAF失效机理分析和材料预防

文/石谨宁 罗锦超

1 CAF失效机理

1.1 CAF生长机理

CAF（Conductive Anodic Filament）即 导电阳极丝，是导电物质在外界偏压电场的作用下，通过非金属基材而迁移运动的过程。

CAF，通常表现为从电路中的阳极发散出来，沿着PCB的玻璃纤维与环氧树脂之间的界面，朝着阴极方向迁移沉积，进而形成导电性细丝物。

CAF，通常发生在孔与之间、通孔与内(外)层导线之间、导线与导线之间，从而造成两个相邻体绝缘材料的绝缘性能下降甚至造成短路。

1.2 CAF生长过程

CAF失效的生长过程，一般分为2个阶段：

阶段1：高温湿环境下，使得玻纤与氧树脂之间的附着力出现劣化，并促成玻纤表面硅烷偶联剂的化学水解，从而在玻纤与环氧树脂的界面上，形成沿着玻纤增强材料促成CAF生长的通路；

阶段2：Cu腐蚀的水解反应，并形成Cu盐的沉积物，并在外界偏压的驱动下，逐渐形成CAF。

1.3 CAF失效模式

通过切片可以从中观察到常见的CAF失效模式。一般来说CAF失效现象有两种存在形式。

一种是沿着玻璃纤维方向生长，类似芯吸现象。“芯吸效应”是超细纤维特有的性能，是指超细纤维中孔细，接近真空时，近水端纤维管口与水分子接触形成纤维中真空孔隙，此时大气压值超过纤维内部的真空，水就自然压积进入纤维孔隙中，纤维孔隙越细，芯吸效应愈明显，这种芯吸透湿效应愈强。当铜箔或其他焊面发生电迁移后，形成的絮状或树状生长物同样也会发生芯吸现象，且该现象还会继续导致电化学迁移，加剧生长物生成的速度。PCB CAF现象多发生在芯吸最严重位置，在玻璃纤维边缘存在空隙；另一种是层压板内层与材料分层，CAF沿着分层处生长。

2 CAF案例分析

2.1 失效现象描述

失效样品为LED开关电源，输出电压为3.8V。故障现象为电源空载有输出，但是带负载5-15分钟不等后无输出，静置一段时间后能够恢复正常。

2.2 失效问题定位

首先对失效样品进行非破坏性分析。外观检查确认无异常后后可以进行一些非破坏性的电气测量，经多方面的量测并与良品电源，定位发现电源主控芯片部分引脚电压出现异常，并触发保护。

2.3 失效原因分析

根据定位问题点，排查开机时SNSOUT引脚上3.8V的来由。经过分段割线的机械方式逐一进行排查，避免因焊接等电气因素对失效现象导入影响因子，最终发现在切断电源主控制小板的连接端子CN2B-Pin1REF的同时用直流源替代该引脚电压(5V)，量测CN2B Pin2（该点连接IC2 5脚的SNSOUT，属等电位）没有异常高电平电压，此时电源可以正常启机，不良现象消失。

由此初步得出可能的结论是，电源的失效问题来源于CN2B-Pin1脚和Pin2 脚之间的漏电现象。

2.4 失效品材料排查

依据上述现象和原因，针对PCB材料进一步分析，并同PCB厂商做板材制程和材料问题排查。

对PCB基材原料玻璃纤维布进行排查，发现不良PCB中间层存在空隙，导致电镀沉铜过程中活化剂和铜离子浸入空隙中，发生反应后铜金属附着，形成了导电通道，出现漏电现象。

分析怀疑可能与制程中钻孔的钻咀刀刃缺损有关，调查过往记录，发现2017年某月份生产记录报表中显示当时生产有损坏孔16pcs，原因是未考虑到钻咀刀刃缺损影响而导致拉伤玻璃纤维布，出现基材空洞，厂商处理方式是对目视损坏孔做报废处理，而对轻微损伤未做处理，由此初步怀疑CAF失效板材来源于漏流入下一阶段工艺生产的损坏孔板材。

2.5 改善对策

依据上述现象及原因，我司提供PCB板更换并确认不良电源已修复后返还给客户。同时针对失效样品的材料来源，制定切实有效的长期对策。对PCB板材工艺管控，要求PCB板材厂商进行提供预防改善对策。

（1）厂商制定钻咀刀缺口工艺的详细检查表；

（2）厂商对钻咀刀刃损坏后钻出的PCB板进行切片检查孔壁是否有损伤到玻璃纤维布，再确定是否生产或报废；

（3）钻机自检系统发现钻咀缺口损坏报警，立即进行更换。并将PCB分开放置，由品质部对损伤前最近批PCB板进行切片处理，并做试板确认后再决定生产或报废处理，避免不良品外流。

3 CAF失效处理和预防

3.1 PCBA CAF现象预防要点

根据失效模式和机理，总结针对PCBA CAF现象可以从3个方面进行预防和管控。

3.1.1 PCB设计

（1）通孔应设置最小间距要求，一般根据PCB厂家的制程能力要求间距≥0.4mm；

（2）若无法达到最小间距要求，则相邻网络信号不能有敏感信号或长时间较高的偏压信号；

（3）对于多孔并排的通孔，尽量呈45°交叉排列；

（4）在PCB厂家进行工程确认时，需要增加CAF安全间距的确认；3.1.2 PCB选材要求

（1）PP片材中抵抗CAF能力为：1080>2116>7628，即1080PP片最不容易产生CAF失效，应优先选择；

（2）PP填充料优先选择对CAF抵抗能力较好的S1000H；3.1.3 PCB厂商要求

（1）降低钻床进刀速度，避免因钻头速度过高引起玻璃纤维产生拉须（如从80降到50）；

（2）对钻咀刀刃定期进行检查，损坏的刀头应及时更换；

（3）针对每批次应进行抽样切片检查，如发现玻璃纤维受损的板材不能进入下步工艺。

3.2 CAF失效定位和分析方法

3.2.1 预分析

当怀疑PCB有CAF发生时，先用电测与割断线路的方法逐步缩小CAF定位的范围，必要的时候需要移除PCB上的电子零件，以免造成干扰。通过Gerber排查PCB结构中是否有通孔太近或线路较近的问题，重点进行关注。

3.2.2 微观分析

在未明确是否为CAF影响时，对重点区分后的PCB板先做无损分析，顺序依次是从表面检查、微观分析（X-ray等）、热点检查、表面成分分析等，如无观察到异常物质，可进一步进行破坏性分析，切片研磨分析，使用金相显微镜进行观察，更深入地研究可以使用SEM＆EDS（能散散射X线光谱仪）分析（通过聚焦的很细的电子束照射被检测试验表面，检测二次电子或背散射电子信息进行形貌观察，同时测量电子与试样相互作用产生的特征X-射线波长与强度，对微小区域进行元素定性和定量分析）。

3.3 PCB材料检验方法

3.3.1 测试治具

在测试板设计中4个B测试结构，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，内层和外层的盘是一样的。

3.3.2 试验设备

高精度万用表电阻档或高精度电阻表；

电源（10-100V直流电压，电流至少1A）；

电阻器，用106欧姆的电阻与测试板串联，保证通过线路的电流不会过大而损坏电路板；

连接线，使用PTFE或PFE的隔热材料包铜线，同时保证测量设备和线路的总电阻不得超过200欧姆；

恒温恒湿箱，并提供干净的绝缘测试平面台；

PCB测试板，5pcs。

3.3.3 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105±2C下烘烤6小时；

预处理，在中立环境下（未加偏压），保持23±2C和50±5%的相对湿度至少24h。

3.3.4 试验方法

测量PCB板绝缘电阻时的方法为，采用100V的直流测试电压充电60S后测试绝缘阻抗，防止水汽对测试结果造成影响，试验方法如下：

严格控制温湿度，将恒温恒湿箱设置为85±2℃、85±2%RH的环境；

使样品在无偏压的环境下静置96个小时（±30分钟），每24小时测试一次绝缘阻抗R1。

3.3.5 结果判定

96小时无偏压静置后绝缘电阻R1≤107欧姆，即判定样本失效；

96小时加偏压静置最终测试绝缘电阻R2<108欧姆，或者在测试过程中有3次记录或以上出现R2<108欧姆即判定样本失效。

4 总结

CAF现象的发生能够使导体间的绝缘电阻下降，通常表现为电气线路功能异常、孔间漏电甚至短路，严重影响了PCBA的可靠性。PCBA CAF的分析定位通常比较隐形，不仅需要耐心寻找定位而且需要正确的方法和准确的判断，如何掌握预防和改善的措施是分析的根本目的。本文通过对客诉不良品的分析过程阐述并总结，介绍了PCBA的CAF失效机理和分析方法，同时提供了对PCB材料从源头上管控和预防的建议，预防CAF现象的发生，保证了产品的可靠性。