電路板內層微短路現象(CAF,Conductive Anodic Filament)

這兩張圖是實驗室切出來的報告,可以發現導電物質沿著玻璃纖維束的間隙滲透成長。這兩張圖是實驗室切出來的報告,可以發現導電物質沿著玻璃纖維束的間隙滲透成長。 

公司的產品最近一直被這個【電路板內層微短路】不良現象所困擾,因為一直找不到證據,最近終於有了突破性的進展,原因是我們終於找到了電路板內微短路現象一直存在的不良板,經過與PCB板廠共同分析現象後,不良原因目前指向【CAF(Conductive Anodic Filament,導電性陽極細絲物,陽極性玻璃纖維絲漏電現象)】也俗稱【玻璃沙漏電】,總算有了點眉目,否則客戶已經開始跳腳為什麼一直找不到問題。

其實要找到這類CAF的不良現象還真不容易,首先得找出電路板出現短路現象的地方,然後把能割的線路都割斷,逐漸把可能發生短路現象的範圍縮小,最好要縮小到是那個通孔(via)對通孔,或是哪條線路(trace)對線路,甚至要量測出來是那一層銅箔短路,這樣切片(cross section)下去才有比較大的機會可以找到微短路的證據。







做切片也是一大學問,切不好或是沒有經驗的,不是把證據切不見了,要不就是在研磨的時候把不是短路的地方磨成像短路而造成誤判。

我們這次其實分別找了【X特】及【XX院】兩家實驗室來作切片,結果【X特】說完全沒有問題,而【XX院】認為玻璃纖維布有間隙可能造成CAF的現象。不過因為當初送樣的不良電路板不同而且也不是一直存在微短路的問題,所以也很難說兩家實驗室的切片結果誰對或誰錯。

後來我們拿到確確實實微短路的板子後,派工程師拿著板子直接殺到PCB板廠,要求當場作切片分析,這次才真的證實有CAF的現象。不過板廠認為CAF發生的原因是我們板子的通孔(PTH via)及盲孔(Blind Via)設計太靠近了,現在板廠開始推翻原本說好的0.4mm建議距離,而改成至少要有0.5mm以上了。現在的孔邊緣到孔邊緣(drill to drill)都已經小到0.1mm了,卻回過頭來要求要有0.5mm的距離,簡直要命與不負責任。

不過我們也很理直氣壯的告訴對方,當初板廠review PCB的時候並沒有提出孔對孔的距離有問題,而且這個項目板廠應該要比我們系統廠更有經驗才對,就算設計會有風險,但是板廠還是得負比較大的責任,不過我們並沒有要求板廠賠償,而是要求板廠提出改善對策,並要求預防對策。

下面是板廠針對CAF提出的改善對策項目(有經驗的朋友幫忙看一下):

  1. PP的填充材變更設計:PP填充材L由S1000變更為S1000H,板廠說S1000H對CAF的抵抗性比較好。
  2. PP疊構及配比變更設計:把Core的PP從原本5張7628的板材,變更為4張7628,而且更改為高RC的填充物。因為Core的PP厚度變薄了,所以在Core的上、下PP層各增加一層3313來維持原來基材的厚度。

      樹脂配方 填料 Z-CTE 鑽孔/
    Desmear/
    PTH性能
    CAF性能 T260 min T280 min
    Td °C
    288°C/10s浸錫次數
    S1000 溴化環氧和含N改姓 複合填料,總比例20%左右 3.4% 兩者相當   60 10 335 15
    S1000H 溴化環氧和酚醛改性環氧 複合填料,總比例30%左右 2.8% 兩者相當 更具優勢 60 20 348 20

  3. 降低鑽床進刀速度:從80降到50。

雖然這些分析有很多是自己親自參與分析的,但經過這次的機會教育與開會討論後,個人也對PCB的結構及材料有了更進一步的瞭解,另外,對於分析CAF的方法也學到許多經驗。

懷疑PCB有CAF發生的時候,可以先用電測與割線路的方式逐步縮小CAF的範圍,作切片之前可以先用超音波檢查PCB是否有分層剝離(delamination)的現象,使用超音波的時候必須先把零件移除,這樣才不會影響到超音波的讀取,然後依據超音波的判斷作切片並選擇水平方向或是垂直方向研磨。現在有新的【3D X-Ray CT】解決方案出現,或許以後可以用這種非破壞性的設備來檢測這類的不良現象。

CAF發生的原因是PCB內相鄰的兩點(線路或通孔或分層)由於電位差(Bias)加上濕氣(Moisture)的環境助長,讓導電性物質(Cu2+)沿著玻璃纖維布(PP)的間隙從陽極向陰極方向生長所產生的電化遷移(ECM, Electro-Chemical Migration)現象。

不過我們這次用EDX打到的是Au而不是Cu,看來在化金處理的過程中就已經有問題產生了。我們公司用的板子是ENIG。

▼下面的圖片是實驗室切片出來的報告,可以發現玻璃纖維布有裂縫產生,而且有些導電物質沿著玻璃纖維束的間隙滲透成長,但還不到發生短路的階段。
圖片是實驗室切片出來的報告,可以發現玻璃纖維布有裂縫,而且有些導電物質沿著玻璃纖維束的間隙滲透成長,但還不到發生短路的階段。

▼懷疑PCB有CAF發生時,可以先用電測與割線路的方式逐步縮小CAF的範圍,可能還得移除板子上面的電子零件,先除去可能的干擾因素。

懷疑PCB有CAF發生時,可以先用電測與割線路的方式逐步縮小CAF的範圍,可能還得移除板子上面的電子零件,先除去可能的干擾因素。

▼慢慢確認CAF發生的位置,可以配合Gerber查看PCB的結構是否有通孔太近或是線路太近的問題。
慢慢確認CAF發生的位置後,可以配合Gerber查看PCB的結構是否有通孔太近或是線路太近的問題。

▼下面圖片是確認短路持續發生的板子切片後所呈現出來的樣子,在還沒有使用藥水處理前,可以看到一長條「銅」的現象橫跨在通孔與盲孔之間,不過這也有可能只是切片研磨的時候把通孔孔壁的銅給帶過去的而已。

圖片是確認短路持續發生的板子切片後所呈現出來的樣子,在還沒有使用藥水處理前,可以看到一長條的有同元素的現象橫跨在通孔與盲孔之間,不過這也有可能只是切片研磨的時候把通孔孔壁的銅給帶過去的而已。

▼下面圖片使用藥水處理過,清潔切片研磨時可能的沾污,用EDX打出來結果發現Au(金)的元素介於通孔與盲孔的中間。(後來詢問廠商說Au是他們塗上去的~~)

ACF(Conductive Anodic Filament,導墊性細絲物,陽極性玻璃纖維絲漏電現象)。圖片使用藥水處理過,清潔切片研磨時可能的沾污,用EDX打出來結果發現Au(金)的元素介於通孔與盲孔的中間。

▼用EDX打出來Au(金)的元素介於通孔與盲孔之間第一個位置。
ACF(Conductive Anodic Filament,導墊性細絲物,陽極性玻璃纖維絲漏電現象)。用EDX打出來Au(金)的元素介於通孔與盲孔之間第一個位置。

▼用EDX打出來Au(金)的元素介於通孔與盲孔之間第二個位置。
ACF(Conductive Anodic Filament,導墊性細絲物,陽極性玻璃纖維絲漏電現象)。用EDX打出來Au(金)的元素介於通孔與盲孔之間第二個位置。


延伸閱讀:
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PCB爆板的真因剖析與防止
案例:USB連接器金手指氧化的來源

訪客留言內容(Comments)

看 OM 的圖片 , 切片功力好的話 1000X+暗場光可以看得很清楚 ..
其實 SEM 沒有發揮什麼作用 …

PP 玻纖束的選用的確也是重點 …
但問題跟鑽孔及除膠渣比較有關 ..

鑽孔參數不佳或鑽針選擇不好 …
Desmear 咬蝕太強 , 化銅滲進玻纖縫裡 …

OM 的圖片可以很清楚看到燈蕊效應 IPC 有規範的 …
只是不確定空板就有現象或是產品長期通電導致的CAF …
不過 空板就有問題的可能性很高

一般切片完 拋光前會用洗眼鏡的超音波清洗 …
所以切片帶出銅粒卡在玻纖是有點難發生的 …

以上是小弟的拙見 請參考

IamF77;
謝謝您的經驗分享,其實我們也是邊作邊學,CAF這方面真的比較沒有經驗,其實產品都是出道客戶手上沒幾個月就出問題了,所以比較傾向空板就有問題。

這已經是非常深入的分析報導了,一般的是接觸不到的!!
有學習到!!!

ewew;
這個我也還在學習啦!的確比較難了一點。

通孔和盲孔要距離 0.5mm 以上是有點誇張了。
請問工作熊,PCB若因 CAF 而微短路,同一片 PCB 短路現象有可能會時有時無嗎?

Terry;
要確定你是否確認其為CAF,明天(8/12)會有一篇關於CAF的解說文章,裡頭會提到CAF形成的原因與現象。以下為部份文章節錄:
很多人第一次遇到CAF的現象會一直被其不斷重複出現的行為所困擾,因為一旦CAF完成了通路導電後,卻又會不時遭到高電阻的焦耳熱所燒斷,所以使用電錶離量測CAF時會發現時好時壞的現象,量測數值也會一直漂移,在特定條件未消失前,CAF的戲碼將會一再的重複出現在同一個位置。

其實我認為用阻抗測試就可以抓到哪一條線有問題!再加上這問題的產生大部分是因為在鑽孔的時候鑽頭接觸到織布時把織布絲因旋轉拉力而拉到某條織布線,而再去下個製程中的一銅線電鍍時、在被拔絲後的空隙內鍍上銅後而形成導通現象!

Micky,
不曉得是否已經在FB上回過了,如果已經回過就忽略這封回覆吧!
其實CAF的原因並沒有想像中的容易發現,因為CAF就是微短路,不太容易用一般的電錶量出來,除非短路已經非常的明顯,從原本的絕緣,變成了幾K以下歐母的數值,而且一直持續,否則真的不容易發現。
其實經常出現的問題時根本就找不到有短路的現象,甚至模擬都模擬不出來才糟糕,因為CAF通常都是間歇性的出現,目前的了解是常溫沒有問題,但高溫高濕下就有機會顯像,只是有機會,還不見得一定出現,通常還得點亮操作一段時間,而且還不一定是死機,或許就某個訊號異常而已,這才是最難的,CAF就具有這樣的特性~

各位先進,請教幾個問題:

因為我們客戶怕CAF異常,要求我們提出可靠度驗證報告,證明PCB 沒有CAF的問題,我們詢問板廠,板廠的回覆是沒有做過CAF的驗證,不過板廠說,現在用的開纖材質可以克服CAF現象,請問這個回覆是否成立?

我們打算拿11~22片空板,自己做高溫高濕1000Hr,證明PCB 可以避免CAF異常,但是,我們不知道除了open/short測試以外,還有什麼方法可以確認高溫高濕1000Hr後,沒有CAF異常? 看了各位討論後,認為就算open/short 也無法確認此實驗的有效性,請為各位先進有何建議?

David,
形成CAF缺陷必須要下列五種失效條件同時具備時才會發生,缺一不可:
1. 水氣(大氣環境中無法避免)
2. 電解質(似乎難以清除)
3. 露銅(電路板內以銅箔當基材,所以無法避免)
4. 偏壓(電路設計之必然,所以無法避免)
5. 通道(看來就只能對此參數做改善了)
所以你的測是必須事先找出可能有CAF可能的地方,然後加給它「偏壓」,這樣才有可能抓到問題,如果只是空板下去測試,沒有給偏壓,永遠也抓不到cAF。


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