PCBA CAF失效機理分析和材料預防

文/石謹寧 羅錦超

1 CAF失效機理

1.1 CAF生長機理

CAF（Conductive Anodic Filament）即 導電陽極絲，是導電物質在外界偏壓電場的作用下，通過非金屬基材而遷移運動的過程。

CAF，通常表現為從電路中的陽極發散出來，沿著PCB的玻璃纖維與環氧樹脂之間的界面，朝著陰極方向遷移沉積，進而形成導電性細絲物。

CAF，通常發生在孔與之間、通孔與內(外)層導線之間、導線與導線之間，從而造成兩個相鄰體絕緣材料的絕緣性能下降甚至造成短路。

1.2 CAF生長過程

CAF失效的生長過程，一般分為2個階段：

階段1：高溫濕環境下，使得玻纖與氧樹脂之間的附著力出現劣化，并促成玻纖表面硅烷偶聯劑的化學水解，從而在玻纖與環氧樹脂的界面上，形成沿著玻纖增強材料促成CAF生長的通路；

階段2：Cu腐蝕的水解反應，并形成Cu鹽的沉積物，并在外界偏壓的驅動下，逐漸形成CAF。

1.3 CAF失效模式

通過切片可以從中觀察到常見的CAF失效模式。一般來說CAF失效現象有兩種存在形式。

一種是沿著玻璃纖維方向生長，類似芯吸現象。“芯吸效應”是超細纖維特有的性能，是指超細纖維中孔細，接近真空時，近水端纖維管口與水分子接觸形成纖維中真空孔隙，此時大氣壓值超過纖維內部的真空，水就自然壓積進入纖維孔隙中，纖維孔隙越細，芯吸效應愈明顯，這種芯吸透濕效應愈強。當銅箔或其他焊面發生電遷移后，形成的絮狀或樹狀生長物同樣也會發生芯吸現象，且該現象還會繼續導致電化學遷移，加劇生長物生成的速度。PCB CAF現象多發生在芯吸最嚴重位置，在玻璃纖維邊緣存在空隙；另一種是層壓板內層與材料分層，CAF沿著分層處生長。

2 CAF案例分析

2.1 失效現象描述

失效樣品為LED開關電源，輸出電壓為3.8V。故障現象為電源空載有輸出，但是帶負載5-15分鐘不等后無輸出，靜置一段時間后能夠恢復正常。

2.2 失效問題定位

首先對失效樣品進行非破壞性分析。外觀檢查確認無異常后后可以進行一些非破壞性的電氣測量，經多方面的量測并與良品電源，定位發現電源主控芯片部分引腳電壓出現異常，并觸發保護。

2.3 失效原因分析

根據定位問題點，排查開機時SNSOUT引腳上3.8V的來由。經過分段割線的機械方式逐一進行排查，避免因焊接等電氣因素對失效現象導入影響因子，最終發現在切斷電源主控制小板的連接端子CN2B-Pin1REF的同時用直流源替代該引腳電壓(5V)，量測CN2B Pin2（該點連接IC2 5腳的SNSOUT，屬等電位）沒有異常高電平電壓，此時電源可以正常啟機，不良現象消失。

由此初步得出可能的結論是，電源的失效問題來源于CN2B-Pin1腳和Pin2 腳之間的漏電現象。

2.4 失效品材料排查

依據上述現象和原因，針對PCB材料進一步分析，并同PCB廠商做板材制程和材料問題排查。

對PCB基材原料玻璃纖維布進行排查，發現不良PCB中間層存在空隙，導致電鍍沉銅過程中活化劑和銅離子浸入空隙中，發生反應后銅金屬附著，形成了導電通道，出現漏電現象。

分析懷疑可能與制程中鉆孔的鉆咀刀刃缺損有關，調查過往記錄，發現2017年某月份生產記錄報表中顯示當時生產有損壞孔16pcs，原因是未考慮到鉆咀刀刃缺損影響而導致拉傷玻璃纖維布，出現基材空洞，廠商處理方式是對目視損壞孔做報廢處理，而對輕微損傷未做處理，由此初步懷疑CAF失效板材來源于漏流入下一階段工藝生產的損壞孔板材。

2.5 改善對策

依據上述現象及原因，我司提供PCB板更換并確認不良電源已修復后返還給客戶。同時針對失效樣品的材料來源，制定切實有效的長期對策。對PCB板材工藝管控，要求PCB板材廠商進行提供預防改善對策。

（1）廠商制定鉆咀刀缺口工藝的詳細檢查表；

（2）廠商對鉆咀刀刃損壞后鉆出的PCB板進行切片檢查孔壁是否有損傷到玻璃纖維布，再確定是否生產或報廢；

（3）鉆機自檢系統發現鉆咀缺口損壞報警，立即進行更換。并將PCB分開放置，由品質部對損傷前最近批PCB板進行切片處理，并做試板確認后再決定生產或報廢處理，避免不良品外流。

3 CAF失效處理和預防

3.1 PCBA CAF現象預防要點

根據失效模式和機理，總結針對PCBA CAF現象可以從3個方面進行預防和管控。

3.1.1 PCB設計

（1）通孔應設置最小間距要求，一般根據PCB廠家的制程能力要求間距≥0.4mm；

（2）若無法達到最小間距要求，則相鄰網絡信號不能有敏感信號或長時間較高的偏壓信號；

（3）對于多孔并排的通孔，盡量呈45°交叉排列；

（4）在PCB廠家進行工程確認時，需要增加CAF安全間距的確認；3.1.2 PCB選材要求

（1）PP片材中抵抗CAF能力為：1080>2116>7628，即1080PP片最不容易產生CAF失效，應優先選擇；

（2）PP填充料優先選擇對CAF抵抗能力較好的S1000H；3.1.3 PCB廠商要求

（1）降低鉆床進刀速度，避免因鉆頭速度過高引起玻璃纖維產生拉須（如從80降到50）；

（2）對鉆咀刀刃定期進行檢查，損壞的刀頭應及時更換；

（3）針對每批次應進行抽樣切片檢查，如發現玻璃纖維受損的板材不能進入下步工藝。

3.2 CAF失效定位和分析方法

3.2.1 預分析

當懷疑PCB有CAF發生時，先用電測與割斷線路的方法逐步縮小CAF定位的范圍，必要的時候需要移除PCB上的電子零件，以免造成干擾。通過Gerber排查PCB結構中是否有通孔太近或線路較近的問題，重點進行關注。

3.2.2 微觀分析

在未明確是否為CAF影響時，對重點區分后的PCB板先做無損分析，順序依次是從表面檢查、微觀分析（X-ray等）、熱點檢查、表面成分分析等，如無觀察到異常物質，可進一步進行破壞性分析，切片研磨分析，使用金相顯微鏡進行觀察，更深入地研究可以使用SEM＆EDS（能散散射X線光譜儀）分析（通過聚焦的很細的電子束照射被檢測試驗表面，檢測二次電子或背散射電子信息進行形貌觀察，同時測量電子與試樣相互作用產生的特征X-射線波長與強度，對微小區域進行元素定性和定量分析）。

3.3 PCB材料檢驗方法

3.3.1 測試治具

在測試板設計中4個B測試結構，有7組交互的通孔。每組中有26個或27個連接到陽極或陰極的通孔。在給定的測試結構中，內層和外層的盤是一樣的。

3.3.2 試驗設備

高精度萬用表電阻檔或高精度電阻表；

電源（10-100V直流電壓，電流至少1A）；

電阻器，用106歐姆的電阻與測試板串聯，保證通過線路的電流不會過大而損壞電路板；

連接線，使用PTFE或PFE的隔熱材料包銅線，同時保證測量設備和線路的總電阻不得超過200歐姆；

恒溫恒濕箱，并提供干凈的絕緣測試平面臺；

PCB測試板，5pcs。

3.3.3 試樣準備

保持測試樣品無污染，做好標記，用無污染手套移動樣品。做好預先準備，防止短路和開路；

清潔后連接導線，連接后再清潔；烘干，在105±2C下烘烤6小時；

預處理，在中立環境下（未加偏壓），保持23±2C和50±5%的相對濕度至少24h。

3.3.4 試驗方法

測量PCB板絕緣電阻時的方法為，采用100V的直流測試電壓充電60S后測試絕緣阻抗，防止水汽對測試結果造成影響，試驗方法如下：

嚴格控制溫濕度，將恒溫恒濕箱設置為85±2℃、85±2%RH的環境；

使樣品在無偏壓的環境下靜置96個小時（±30分鐘），每24小時測試一次絕緣阻抗R1。

3.3.5 結果判定

96小時無偏壓靜置后絕緣電阻R1≤107歐姆，即判定樣本失效；

96小時加偏壓靜置最終測試絕緣電阻R2<108歐姆，或者在測試過程中有3次記錄或以上出現R2<108歐姆即判定樣本失效。

4 總結

CAF現象的發生能夠使導體間的絕緣電阻下降，通常表現為電氣線路功能異常、孔間漏電甚至短路，嚴重影響了PCBA的可靠性。PCBA CAF的分析定位通常比較隱形，不僅需要耐心尋找定位而且需要正確的方法和準確的判斷，如何掌握預防和改善的措施是分析的根本目的。本文通過對客訴不良品的分析過程闡述并總結，介紹了PCBA的CAF失效機理和分析方法，同時提供了對PCB材料從源頭上管控和預防的建議，預防CAF現象的發生，保證了產品的可靠性。