CAF(電路板微短路)形成的可能原因與改善對策

CAF的四種不同樣式

之前公司的產品有發生過【電路板內層微短路現象】,經追查後發現是CAF(Conductive Anodic Filament)造成,中文稱之為「導電性陽極細絲物」或「陽極性玻璃纖維絲漏電現象」,不過直譯的話應該沒有幾個人弄得清楚這是什麼東東吧?CAF其實就是電路板內層或防焊綠漆層內的微短路現象。

因為這個問題一直縈繞在工作熊的心頭揮之不去,隨著時間的推演,再加上工作熊去上了一些關於PCB製程的課程,並與更多的PCB業者討論後,工作熊最近歸納出一些關於CAF的形成原理與改善方法的心得,放在這裡給大家參考。

不過工作熊畢竟不是CAF的專家,所以請有經驗的朋友也可以提供經驗分享,讓大家多多了解CAF的影響。







CAF的形成原理

參考文章最上面的圖示說明CAF的樣式與形成過程,CAF是指對印刷電路板施加了直流電壓並放置於高濕環境中,在層到層間(Layer to Layer)線路到線路間(Line to Line)孔到孔間(Hold to Hole)孔到線路(Hole to Line),居於高電位陽極的銅金屬會先氧化成Cu+或Cu++離子,並沿著已經存在的不良通道之玻璃纖維紗束向陰極慢慢遷移生長,而陰極的電子也會往陽極移動,路途中銅離子遇到電子即會還原成銅金屬,然後又形成銅離子在變回銅金屬,如此反覆逐漸從陽極往陰極蔓延成生銅膜,故又稱之為「銅遷移」。

很多人第一次遇到CAF的現象時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燒斷,一般使用三用電錶量測CAF時會發現時好時壞的現象,量測數值也會一直漂移,在CAF形成條件未完全消失前,CAF的戲碼將會一再的重複出現於同一個位置。

綜上所述,要形成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,也就是要有絕對的天時地利人和才會產生CAF,所以說意外絕非偶然,就是一連串的錯誤所形成的:

金屬離子在電場作用下在非金屬介質中發生電化學遷移(ECM,Electro Chemical Migration)反應,從而在電路的陽極、陰極間形成一個導電通道而導致電路短路

陽極:Cu → Cu2++2e    (Copper dissolved at anode)

            H2O →  H++OH

陰極: 2H++2e → H2

             Cu2++2OH → Cu(OH)2

             Cu(OH)2 → CuO+H2O

             CuO+H2O → Cu(OH)2 → Cu2++2OH

             Cu2++2e → Cu  (Copper deposited at cathode)

一般認為,離子遷移分為兩個階段:第一階段,樹脂和增強材料在濕氣的作用下,增強材料的矽烷偶聯劑化學水解,即在環氧樹脂/增強材料上沿著增強材料形成CAF的洩露通道路(leakage path),此階段屬可逆反應;第二階段,在電壓或偏壓的作用下銅鹽發生電化學反應,在線路圖形間沉積形成導電通道,使線路間出現短路,此階段為不可逆反應。

要如何才能防止或解決CAF的發生呢?

想要解決或防止CAF發生,其實可以從上述的五個必要條件來著手,只要消滅其中任何一個條件就可以防止其發生。

1. 提高電路板材料在Anti-CAF方面的能力

電路板板材的選用其實對防護CAF的發生非常的重要,但是通常一分錢一分貨,一般要有高CAF防護能力的基材都需要特別要求訂作,底下是選用電路板基材防CAF的建議:

  • 減少材料中的不純離子含量。
  • 玻纖布被樹脂充分浸漬結合良好。
    電路板的基板製作時會先將多捆的玻璃纖維束編織成布,然後引入樹脂槽當中浸漬,再逐漸拉起或拉出沾有樹脂的玻璃纖維布,目的是要讓樹脂可以充填到玻璃纖維束的縫隙當中,如果這個階段的參數設定不好就容易在玻璃纖維束形成空隙,讓CAF有隙可乘。
  • 使用低吸濕性樹脂。 相關閱讀文章:PCB板材的結構與功用介紹

2. PCB layout Design 在偏壓和孔間距的規避

電路板的通孔、線路尺寸位置與堆疊結構設計對CAF也會產生絕對性的影響,因為所有的要求幾乎都來自設計。隨著產品越做越小,電路板的密度也越來越高,但是PCB製程能力有其極限,當有直流偏壓(bias voltage)的相鄰線路距離越小時,其發生CAF的機率也就越來越高,基本上偏壓越高或距離越小,CAF的機率就會越高。

依照目前電路板廠商所提供的資訊顯示,下面是大部分電路板廠商針對CAF防護所建議的PCB尺寸設計值:

  • 孔到孔邊距離(最小):0.4mm
  • 孔到線距離(最小)(Drill to Metal):12mil (0.3mm)
  • 孔徑建議:0.3mm

另外,根據實際經驗發現,CAF的通道(gap)幾乎都是沿著同一玻璃纖維束發生,所以如果可以將通孔或焊墊的排列方式做45度角的交叉佈線將有助將低CAF的發生率。

CAF改善措施-設計。根據實際經驗發現,CAF的通道(gap)幾乎都是沿著同一玻璃纖維束發生,所以如果可以將通孔或焊墊的排列方式做45度角的交叉佈線將有助將低CAF的發生率。

3. PCB制程中Wicking的管控

在PCB的機械鑽孔或雷射燒孔時會產生高溫,超過樹脂(resin)的Tg點,會融溶並形成膠渣,此膠渣會附著於內層銅邊緣及孔璧區,最造成後續鍍銅時接觸不良,所以在鍍銅前必須先進行除膠渣(De-smear)作業,而除膠渣的首站就必須使用蓬鬆劑(sweller)經1~10分鐘之浸泡處理,讓各種膠渣發生腫脹鬆弛,以利後續Mn+7的順利攻入與咬蝕。但是除膠渣作業也會對通孔造成一定的咬蝕並出現可能的滲銅(wicking,芯吸)現象,有些電路板業者為了加速蓬鬆作業會把蓬鬆槽的溫度調高,以致造成蓬鬆劑過度拉鬆介面,引發後續的銅遷移現象。

IPC-A-600有規定滲銅(Wicking)的允收標準如下:

  • Class 1,滲銅不可超過125µm (4.291 mil)
  • Class 2,滲銅不可超過100µm (3.937 mil)
  • Class 3,滲銅不可超過80µm (3.15 mil)
     PCB制程中Wicking的管控

只是隨著科技的進步,0.1mm (100µm)的滲銅似乎已不符合實際需求,以0.4mm孔到孔邊距離來看,扣掉滲銅的尺寸,距離就只剩下0.4-0.1-0.1=0.2mm了,以現在電路板業者的製程能力來說,應該都可以控制滲銅在 50µm (2mil) 以下才對。相對地,系統廠在Layout電路板的孔到孔的距離也縮小到了100µm (4mil),這對CAF防治真的是一大考驗。

另外,在PCB的機械鑽孔作業時,如果進刀速度太快,或是銑刀超過使用壽命,也容易因為銑刀的外力而撕開玻璃纖維產生縫隙。

4. PCB 加工過程中防水濕氣的管控

在電路板組裝(PCB Assembly)作業中的錫膏印刷、零件貼附、高溫回焊等都可能會在電路板上留下一些污染物,這些污染物可能有焊料、膠類、灰塵、結露等容易發生電解的物質,都有可能造成電化遷移的現象,可以使用密封膠來封閉可能產生空隙形成CAF的交界處,以防止水氣的滲入。


延伸閱讀:
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為何產品執行燒機(B/I)也無法攔截到DDR虛焊的問題?
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訪客留言內容(Comments)

孔径建议12mil,但是现在通信产品一些复杂的单板都大多采用8mil的孔径了,12mil是不是有点太大了?

Reflow;
12mils是孔到線的距離,當然這是板廠的建議值,而且是給有CAF疑慮的孔及線的要求。
8mils孔徑鑽孔應該是沒問題的,用雷射鑽孔還可以到4mils。

熊大,之前的經驗板上的酸性物質殘留也容易引起此類現象,可能的原因有板廠水洗製程不確實或Solder mask(綠漆)的材質不良?請參考

肥喵;
謝謝您的意見與經驗。
CAF是專指夾層縫隙中的ECM,也就是從表面看不到的短路電化遷移現象。

熊大,
每次拜讀您的文章都感覺受益良多,
當初在PCB廠服務時也遇過類似狀況,
一排8mil的via hole,孔與孔間距只有10mil,
後續廠內的改善方法誠如您所提到的2.3點中相似,
1. 修改孔與孔的間距.
2.使用新鑽頭, 限定鑽頭鑽孔數(500孔換新針) , 限定1片1鑽,
控制進刀速與出刀速。
這些主要是改善孔璧的粗糙度,在粗糙度越低的狀況下,鍍銅前處理就不會被藥水從粗糙孔璧中過度侵入,進而產生燈芯現象。

以上只是自己親身處理過的的個案,僅供參考。

馬克,
感謝您所提供的資訊,這些方法好像似曾相似,搞不好就是解我們公司的Case。
只是這樣加工的工時增加,成本應該會增加吧!

熊大,
當初願意下這樣的重本是因為已經連續2批整批報廢,
而且以特殊製程樣品單,投料率至少都是150%起跳,
在面臨客戶的交期與製程能否克服的壓力下,
工時成本反而已經變成是次要的考量了。

熊大您好,
請問
1. 提高電路板材料在Anti-CAF方面的能力中 “不好就容易在玻璃纖維束形成空隙,讓CAP有隙可乘。” 的CAP 是有其他的專業術語還是CAF的筆誤?
謝謝

柯林;
是「CAF」,謝謝提醒,已經訂正。

熊大
可以解說一下 IPC-TM-650 2.6.14
Electrochemical Migration Resistance Test 是怎樣的一個測試?小妹沒有經驗在這個測試上 現在很苦惱!
麻煩熊大幫一下忙!感激感激!
AHW

AHW,
建議你先去把 IPC-TM-650 2.6.14 找出來讀一下,
順便參考這篇文章 電路板的表面絕緣電阻(SIR)量測


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