液晶電視CAF失效實例分析和預防

何廣舉

(康佳集團股份有限公司，廣東深圳518053)

關于導電性陽極絲(Conductive Anodic Filament，CAF)的分析文章有很多，絕大多數是從基本原理或PCB加工工藝的角度進行分析研究，而關于CAF失效表現的實例分析很少。對于一般常用電子產品如液晶電視，CAF逐漸累積直至失效，表現時好時壞，故障不穩定，發生的時間點比較集中，容易產生誤判，導致反復維修;對于已經確認的CAF問題，維修中多采用更換電路板的辦法解決，容易造成較大的損失。本文從CAF的實例表現入手，分析了這種失效的常見現象，總結了其失效的環境規律和電路特點，指出了電子產品預防CAF的簡要措施，對于減少電子產品CAF問題的發生以及減少其造成的損失具有重要的意義。

1 CAF的形成機理

1.1 什么是CAF

CAF［1］(Conductive Anodic Filament)即導電陽極絲。導電陽極絲是一種由于電化學反應導致的失效類型。它是在20世紀70年代由貝爾等實驗室的研究人員發現的。這種失效模式是PCB內部的一種含銅(Cu)的絲狀物從陽極向陰極方向生長而形成的陽極導電性細絲物，簡稱CAF。

ECM和CAF類似，ECM(Electro-Chemical Migration)即電化學性遷移現象，按IPC-9201之SIR Handbook(表面絕緣電阻手冊)的說法，是當完成電路板或組裝板，長久高溫高濕的惡劣環境中，且其相鄰導體間會出現偏壓(Bias)的情況下，會逐漸發生金屬離子性物體的遷移，并在板面上出現樹枝鹽類生長的痕跡者(Dendrites)，稱為ECM。

簡單看二者的區別:CAF發生在PCB內部，而ECM發生在PCB表面;CAF呈金屬絲狀，而ECM呈樹枝狀。

1.2 CAF如何形成

CAF形成模式:CAF形成的過程可描述為Cu在通道中和電解質反應形成Cu+或者Cu++，在電壓差(電場)的作用下Cu+/Cu++不斷地向低壓極(陰極)移動，移動過程中又會有部分銅離子得到電子，被其中的雜質還原成銅原子(Cu)，或者與雜質結合成導電銅鹽，而停留在通道中。此過程不斷重復，銅和銅鹽在通道中向陰極不斷累積，通道兩端的絕緣電阻不斷下降，最終導致板件失效。

CAF的形成有5個必要條件:

1)必須具有可移動導通的銅;

2)必須存在可讓銅被氧化的電解質;

3)必須存在電解質溶解的水或者水汽;

4)過孔兩極之間必須存在能夠讓銅離子遷移的電壓差;

5)過孔兩極之間必須存在一個讓銅離子移動的通道。

在這5個必備條件中，條件1)、4)無法避免;只有2)、3)、5)可控，第2)、5)項與PCB板材加工工藝關聯;第3)項在北方內陸地區不具備，因此北方干燥的地方很少出現CAF問題。在高溫高濕的環境下，條件3)、5)容易形成，而在鹽霧環境，條件2)、3)、5)都可滿足。由于沿海的鹽霧環境不可避免，因此條件5)的控制非常重要，需要避免PCB板材中出現CAF生長的路徑(橫跨金屬化孔之間的空隙)。

1.3 CAF失效特點分析

CAF失效是指在兩個絕緣網絡中由于銅離子的遷移形成一條導通的線路從而導致產品失效或者工作不穩定的可靠性問題。

由于CAF失效導致絕緣電阻下降，因此最先失效的是對絕緣敏感的電路，即高阻抗電路。如I2C總線的SDA，SCL，音頻前級電路，電阻分壓的按鍵電路等。抗CAF能力最強的是電源線路。

2 CAF的工程實例分析

2.1 故障現象

2009年，廈門(地理上四面環海)某酒店液晶電視多數出現伴音故障(音量變小)，主板為雙層覆銅箔PCB板，經測量板上的I2C總線中SDA、SCL電壓下降到1.8 V左右，采用排查法逐段檢測，發現在割斷外圍連線的情況下，有一處過孔對地存在約4.7 kΩ的電阻值，使10 kΩ的上拉電阻在5 V電源下分壓到1.8 V左右，如圖1所示。

圖1 信號過孔對地過孔“漏電”

同年，福建泉州一臨海的酒店發生類似故障(5臺電視都出現了伴音中有雜音干擾的現象)，發現在XS504插座處焊腳對地“漏電”，對地電阻值明顯偏小(4 kΩ左右)，PCB也為雙面板，如圖2所示。

圖2 插座焊盤位置對地“漏電”

另外，需要說明的是，這些地方陸續還發生了多起類似的失效，包括伴音、選單、按鍵不良等現象，同一塊PCB板有時存在多達4處以上的失效。其特點都表現為“漏電”，即相鄰過孔間絕緣電阻下降，而且在絕大多數時間，這組相鄰的過孔之間一直存在固定的直流偏壓，其孔壁間距從0.5 mm到1 mm不等。

還需要指出，這些失效的PCB均為雙層環氧玻璃布板，在同一地區使用的、時間更長的采用4層板電路的電視機，沒有發生一例疑似的CAF失效，總體故障率相比非常低，更沒有同類故障集中出現的現象。

2.2 故障初步判斷

對于廈門的問題，首先懷疑是表面的電化學遷移ECM，對故障過孔的周圍上、下兩層做周邊的清理、刮割，去除可能的ECM金屬物再測量對地電阻，依然保持4.7 kΩ不變，說明不是ECM引起，因此懷疑CAF引起故障。

而福建泉州的故障也排除了ECM可能，但由于是插座引腳，用電烙鐵重新加熱焊接后，阻值恢復正常，分析認為CAF已經因為熱脹冷縮而暫時斷開(有3例因為烙鐵加熱使絕緣電阻暫時恢復正常)。

2.3 第三方測試結果驗證

為確認故障原因，將廈門酒店的故障板送廣州市五所電子元器件檢測中心進行檢測，結果證明為CAF引起，圖3引用了報告中的部分圖片。

圖3 樣品檢測情況

2.4 故障分析

2.4.1 鹽霧腐蝕對CAF的影響

實踐發現，在南方沿海地區，CAF最容易發生，特別是臨海的酒店，CAF的發生率明顯高于其他地方。而在干燥的北方地區，沒有一例關于CAF的反饋。

由此分析CAF的發生與沿海的鹽霧腐蝕［2］有較強的關聯性。

鹽霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。這里講的鹽霧是指含氯化物的大氣，它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽——氯化鈉，它主要來源于海洋和內地鹽堿地區。

鹽霧對金屬材料表面的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護層與內部金屬發生電化學反應引起的。氯離子有強烈的穿透本領，很容易穿透金屬表面的氧化層和防護層與內部金屬發生電化學反應，引起腐蝕。

從故障板、正常板的照片對比看，故障板的過孔(通孔)銅箔嚴重氧化，覆蓋的綠油已脫落(見圖4)，周圍銅箔裸露、過孔內壁暴露，水汽等雜質更易滲入PCB板材。

圖4 故障PCBA(左側)過孔銅箔外露明顯

2.4.2 PCB存儲和使用及環境濕度的影響

根據Augis，J.A.等人的研究［3］，CAF的形成存在一個臨界濕度值，濕度低于臨界值時，就不會出現。相對濕度的臨界值與工作電壓和溫度有關，PCBA(PCB組件)吸潮可能發生在用戶服役壽命的任何時刻，這就能夠解釋CAF為何較常出現在氣候濕潤的南方。

2.4.3 CAF形成的化學反應式和鹽霧的作用關系

CAF形成的化學過程如下:

Cu→Cu2++2e-(銅在陽極發生溶解)

H2O→H++OH-(水電離)

2H++2e-→H2(氫氣析出)

銅離子在電場作用下從陽極向陰極方向發生遷移，過程中產生銅鹽:

Cu2++2 OH-→Cu(OH)2

Cu(OH)2→CuO+H2O

CuO+H2O→Cu(OH)2→Cu2++2 OH-(銅鹽電離，銅離子遷移)

Cu2++2e-→Cu(銅離子得到電子還原成銅并在通道內沉積)

鹽霧在CAF的形成過程中，主要的作用在于形成了導電鹽溶液，使溶液的導電性大大增強，加速了CAF的形成。

雖然鹽霧沒有直接參與CAF的化學反應，但它的破壞作用有3個步驟:

1)初期對保護油墨進行侵蝕，使銅箔外漏;

2)中期使外露銅箔氧化腐蝕;

3)后期滲透、水解PCB玻纖形成含導電鹽溶液通道，加速了CAF的形成。

3 CAF預防措施

3.1 早期措施

早期，針對廈門、泉州出現的問題，采取的對策包括增加過孔距離、控制生產工藝、加熱烘干和涂敷防水膠等辦法進行預防。但這樣做工藝過程復雜，而且不容易從根本上杜絕問題的發生，兩年以后發現效果并不理想，采取以上措施新生產的液晶電視仍然在廣東地區出現了一些CAF失效(經第三方機構檢測確認仍為CAF失效)。

3.2 新的預防措施

根據檢測報告顯示，在120 h恒定濕熱實驗中，加載50 VDC老化電壓，2塊PCB樣品中有1塊絕緣電阻值顯著下降到100 kΩ以下，隨后的金相分析確認了CAF的生成;說明PCB本身在高溫高濕環境下，易出現CAF失效。同時考慮所有采用4層PCB板的電視機并沒有發生CAF實效，因此判斷CAF與板材的相關性［4］更強。

隨后經過對行業雙層PCB板材質量的調查，決定換用抗CAF能力較強的PCB板材，采用型號為S1000H或型號為FR-4-86雙面板，PCB成本增加約5% ～10%，結果至今兩年來再沒有出現CAF問題，證明了抗CAF的PCB板材對預防CAF具有重要的作用。

3.3 長期監測措施

關于CAF的長期監測手段，建議在新設計的PCB上設置監測點，便于測量、及早發現和采取對策。

建議在PCB方便的位置設置典型的過孔對作為測試點，測試點孔徑大小采用PCB過孔平均值，測試點過孔距離可選PCB板上過孔的最小間隙值(若最小間隙值大于0.5 mm時則選0.5 mm)。

監測點電路設計:

1)簡單的監測電路如圖5所示。

圖5 簡單的監測電路

2)自動監測報警電路，可選擇工廠選單查看，或智能遠程預警，電路設計可采用圖6的電路。

圖7 客戶端測試效果圖

5 結語

嬰幼兒視頻監護系統設計目標是加強對嬰幼兒突發事件實時監護功能。系統具有完善的功能模塊，從視頻監控端到客戶端的設計，闡明了設計過程中需要用到的一些關鍵技術。最終通過測試，驗證了此系統的可行性。

嬰幼兒監護問題一直是社會及父母關注的焦點，此系統不僅可以使嬰幼兒監護問題得到一定的緩解，而且對于醫療衛生機構實現醫院網絡化無線化提供了一定的借鑒意義，同時具有節約勞動力，提高醫護人員工作效率，防止各種原因引起的醫療事故等優點[10]。

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