Руководство по проблемам PCB CAF

Перейти к:

• Что такое формирование проводящей анодной нити
• Исторический взгляд на CAF
• Как избежать сбоя CAF
• Идентификация CAF
• Испытание на сопротивление токопроводящей анодной нити
• Стойкие к CAF материалы для печатных плат от Millenium Circuits Limited

Выход из строя проводящей анодной нити (CAF) является распространенной и растущей проблемой в электронной промышленности. Это может привести к катастрофическому отказу, когда внутри печатных плат (PCB) может образоваться проводящая соль, содержащая медь. Это тип электрохимической миграции, которая растет вдоль границы раздела эпоксидной смолы или стекла от анода к подповерхности катода. Электрохимическая миграция – это процесс, при котором проводящие металлические нити прорастают через диэлектрический материал.

Что такое формирование проводящей анодной нити?

Формирование CAF — это термин, обозначающий процесс роста CAF. Формирование CAF описывается как двухэтапный процесс:

1. Во-первых, разрушается поверхность контакта смолы и стекла, что считается обратимым.
2. Вторая стадия, электрохимическая миграция, необратима.

Отказ CAF относится к электрическому сбою, возникающему в результате образования CAF. Отказ происходит, когда CAF растет от анода к катоду.

Для формирования CAF необходимо наличие нескольких вещей:

• Носители электрического заряда, которые позволяют формировать электрохимическую ячейку.
• Вода, которая возникает из-за влажности и накопления влаги и растворяет ионный материал, поддерживая его в подвижном ионном состоянии.
• Кислотная среда вблизи проводников способствует коррозии анода.
• Смещение напряжения, которое является силой, управляющей реакцией.
• Путь, по которому ионы движутся от анода к катоду.

Считается, что многие другие факторы ускоряют процесс формирования, в том числе высокие температуры, высокая влажность, повторяющиеся термические циклы, высокий градиент напряжения между анодом и катодом, некоторые ингредиенты флюса для пайки и многое другое. Другие проблемы, такие как отказ компонентов и превышение максимальной рабочей температуры, также могут способствовать отказу, связанному с CAF.

Исторический взгляд на CAF

CAF был впервые идентифицирован в 1976 году исследователями Bell Lab. Первые исследования включали испытания различных покрытий из УФ-отверждаемых смол с использованием гибких печатных плат FR-4 Fine Line. Также были изучены другие факторы, предотвращающие разрушение, включая количество армирующих слоев стекла, защитное покрытие и толщину масляного слоя эпоксидной смолы. Исследователи обнаружили, что могут смоделировать время до отказа на логарифмически нормальном графике, и определили температуру, влажность и погрешность как факторы, ускоряющие процесс. Они также описали четыре сбоя, связанных с субстратом.

В 1979 году исследователи впервые использовали термин CAF для обозначения этих неудач. В статье, в которой он впервые использовался, основное внимание уделялось тому, как материалы и ориентация проводника связаны с формированием CAF. В том же году была представлена ​​двухступенчатая модель. Исследования CAF продолжаются и по сей день:исследователи проверяют, как влажность, температура, смещение, материалы, ориентация проводника и другие факторы влияют на его формирование.

Большая часть этих исследований была сосредоточена на традиционных ламинатах, таких как FR-4, G-10, BT и MC-2. Однако в последнее время некоторые из них стали применять более новые материалы, а именно ламинаты, устойчивые к CAF или не содержащие галогенов, которые обычно обладают улучшенными термическими свойствами.

В последние годы изучение того, как предотвратить отказ CAF, стало более актуальной задачей, поскольку производители производят меньшие печатные платы с более высокой плотностью схем. Платы теперь также находят более широкое применение в суровых условиях и условиях, где надежность имеет решающее значение. Кроме того, использование бессвинцовой пайки и расширение выбора материалов усилили интерес к этой теме.

Хотя сейчас мы знаем о CAF гораздо больше, чем до 1976 года, исследования продолжаются. По мере совершенствования технологий мы узнаем больше о том, почему возникает CAF, как его идентифицировать и как предотвратить.

Как избежать сбоя CAF

Существует множество различных мер, которые вы можете предпринять, чтобы свести к минимуму риск сбоя CAF. Исследования способов избежать этой проблемы продолжаются, но предотвращение условий, способствующих образованию CAF, поможет предотвратить ее. Вот некоторые из факторов, которые следует учитывать:

1. Влажность и влажность

Поскольку для этого требуется электролит, более высокое содержание воды увеличивает вероятность отказа CAF. Повышенная влажность приводит к более высокому содержанию влаги, что снижает производительность CAF.

<старт ="2">

Процессы, ведущие к кислотному загрязнению

Процессы, используемые во время изготовления, могут приводить к кислотным загрязнениям, что увеличивает вероятность образования CAF. Примерами этого являются использование некоторых флюсов для пайки и введение кислотных остатков в процессе гальванического покрытия.

<старт ="3">

Смещение и напряжение

Поскольку напряжение смещения является силой, которая управляет реакцией, высоковольтное смещение значительно снизит вероятность образования CAF. Более высокие напряжения также снижают производительность CAF.

<старт ="4">

Ранее существовавшие дефекты

Ранее существовавшие дефекты, такие как трещины, пустоты, затекание, загрязнение и несовпадение, также могут создавать пути для проблемных нитей. Нужно быть осторожным при сверлении отверстий, чтобы не повредить доску. Такое повреждение может создавать эти пути, вызывая трещины, затекание и другие дефекты. Скорость сверления, скорость подачи и другие факторы влияют на вероятность возникновения этих проблем. Частичные дефекты, такие как неполное соединение между функциями, также могут внести свою лепту.

Высокие температуры, например температура окружающей среды, повторяющиеся термоциклы и оплавление с высокой пиковой температурой, создают дополнительную нагрузку на плату и повышают вероятность ее повреждения, а также образования CAF.

<старт ="5">

Материалы

Еще одним важным фактором отказа CAF являются материалы, используемые для изготовления платы. Использование материалов, устойчивых к CAF, как это делает Millennium Circuits Limited, является одним из наиболее эффективных способов предотвращения образования и выхода из строя CAF.

Что касается ламинатных материалов, то в ходе различных исследований, проведенных за последние 30 лет, была измерена восприимчивость различных ламинатов к CAF. Исследования показывают, что бисмалеимидтриазин (BT) является ламинатом, который наиболее устойчив к CAF, в то время как MC-2 является наиболее восприимчивым. Ламинаты с высокой термостойкостью, как правило, лучше противостоят образованию CAF.

Однако важно отметить, что даже идентичные материалы ламината от разных поставщиков могут различаться по устойчивости к CAF. Однако в целом восприимчивость различных ламинатов от наименее к наиболее восприимчивой выглядит следующим образом:

• МС-2
• Эпоксидная смола/кевлар
• FR-4 и PI (примерно равны)
• CE
• БТ

Производители печатных плат часто используют стеклянную отделку и системы смол для увеличения сопротивления изоляции и предотвращения образования CAF. Оба этих материала считаются полезными для этой цели. Однако испытания этих двух веществ показали, что смоляные системы оказывают более значительное воздействие, чем стеклянные покрытия. Совместное использование может быть идеальным решением.

Дальнейшие исследования показали, что смола, отвержденная DICY, может с меньшей вероятностью способствовать росту CAF, чем смола, отвержденная фенольной смолой. Готовые волокна с меньшей вероятностью, чем волокна, подвергнутые термической очистке и волокна в состоянии ткачества, образуют CAF, при этом волокна в состоянии ткачества имеют наибольшую восприимчивость к росту CAF. Чистота волокна, распределение и устойчивость к гидролизу, помогающие сохранить связи между стеклом и смолой, влияют на эффективность покрытий из стеклоткани или силана. Смолы с низким влагопоглощением, улучшенными компонентами чистой смолы и повышенной химической стабильностью, в том числе устойчивостью к гидролизу, имеют лучшие характеристики CAF.

Другие факторы, связанные с материалом, включают тип покрытия, например HASL, ENIG, иммерсионное серебро или иммерсионное олово, а также тип паяльной маски.

<старт ="6">

Дизайн

Дизайн и изготовление печатной платы также играют решающую роль в определении ее устойчивости к CAF.

Платы с меньшим зазором между элементами, смещенными по напряжению, выходят из строя быстрее, чем платы с большими зазорами, хотя считается, что это влияет только на второй этап процесса формирования CAF.

В дополнение к расстоянию между отверстиями и между линиями размер просверленных отверстий и толщина меди в покрытых металлом сквозных отверстиях влияют на сопротивление CAF. Наличие большего количества предвзятых функций также увеличивает количество возможностей, которые должен сформировать CAF. Анодные переходные отверстия также выходят из строя быстрее, чем катодные переходные отверстия. Их направление основы и утка также играет роль. Переходные отверстия, расположенные со смещением под углом 45 градусов, обладают более высокой устойчивостью к CAF. Если пустоты заполнения, стеклянные упоры, затекание или другие проблемы присутствуют после изготовления, они могут служить уже существующими путями для роста CAF.

Другие процессы, которые могут увеличить вероятность образования CAF, включают процессы оплавления и удаления пятен.

Многие различные аспекты печатной платы, в том числе аспекты ее проектирования и изготовления, влияют на ее устойчивость к образованию CAF. Эти факторы включают:

• Используемые материалы, в том числе ламинаты, системы редизайна и покрытия для стекла.
• Конструктивные факторы, такие как расстояние между отверстиями и расположение.
• Такие процессы, как пайка и оплавление.
• Уровни напряжения.
• Напряжение смещения.
• Существовавшие ранее дефекты и другие проблемы с качеством изготовления.

Поскольку на производительность CAF влияет множество факторов, вам следует учитывать CAF на каждом этапе процесса производства печатных плат. Оптимизация платы для устойчивости к CAF приведет к повышению надежности конечного продукта.

Идентификация CAF

Выявление CAF после его возникновения является сложной задачей, что затрудняет его осмотр и изучение. CAF часто возникает в слоях, скрытых внутри ПХБ. Это также может проявляться наряду с другими факторами, способствующими отказу, что затрудняет понимание того, когда CAF является единственным ответственным режимом отказа.

Однако вы можете использовать различные расширенные методы тестирования, чтобы проверить и охарактеризовать формирование и отказ CAF. Эти тесты включают стандартные электрические методы IPC, известные как тесты сопротивления поверхностной изоляции (SIR), которые включают:

• Испытания на электрохимическую миграцию IPC: Стандартный тест IPC для измерения сопротивления протеканию тока по поверхности подложки печатной платы.
• Испытания на температурно-влажностную погрешность (T-H-B): Тест SIR, учитывающий температуру обработки, относительную влажность и влажность при старении, а также смещение напряжения.

Вы также можете использовать различные методы для изображения формирования CAF на печатной плате. Эти методы включают:

• Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ): В этом методе используется первичная электронно-лучевая пушка, которая направляет электроны к положительно заряженному аноду в вакууме через электромагнитные линзы. Вы можете использовать это устройство либо в режиме вторичных электронов (SE), который идеально подходит для визуализации топографии поверхности, либо в режиме обратно рассеянных электронов (BSE), который позволяет контрастировать атомные номера.
• Энергодисперсионная спектроскопия (ЭДС): Этот падающий электронный луч можно использовать для идентификации таких элементов, как медь, хлор и бром.
• Сфокусированный ионный пучок (FIB): С помощью этого метода вы можете увеличить поверхность с высоким разрешением, а затем сделать тонкий поперечный разрез, чтобы получить трехмерное изображение.
• Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ): Эта система, работающая подобно световому микроскопу, может идентифицировать фазы материала и определять кристаллографическую структуру.
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS): Этот метод, который иногда называют электронной спектроскопией для химического анализа (ESCA), представляет собой метод анализа поверхности, с помощью которого можно идентифицировать химические соединения.
• Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR): Этот метод анализирует органические компоненты и создает спектр показаний интенсивности и длины волны.
• Ионная хроматография: Этот процесс, который может представлять собой анионообменную или катионообменную хроматографию, разделяет ионы и полярные молекулы.

Тест на сопротивление токопроводящей анодной нити

Проведение теста на устойчивость платы к CAF помогает убедиться в ее общем качестве и надежности. IPC, торговая ассоциация производителей печатных плат и сборки электроники, имеет стандартную процедуру испытаний на устойчивость к CAF под названием IPC-TM-650 Method 2.6.25A. Использование стандартизированного метода испытаний позволяет получить понятные и сопоставимые рейтинги устойчивости к CAF.

Для этого теста вы можете использовать конструкции купонов стандарта IPC, такие как IPC-9253 и IPC-9254, которые имеют 10 слоев и размеры приблизительно 125×175 миллиметров, а также IPC-9255 и IPC 9256. Некоторые производители оригинального оборудования также использовать собственные дизайны купонов. При тестировании ламината на характеристики CAF следует использовать несколько дизайнов с различными расстояниями между элементами, компоновкой и размерами отверстий.

Метод испытаний IPC рекомендует использовать не менее 25 испытательных плат на партию образцов для каждого уровня отклонения, что обеспечивает 4200 потенциальных точек отказа линейного CAF от отверстия к отверстию и 7800 потенциальных мест отказа диагонального CAF от отверстия к отверстию для каждого образца и набор условий.

Метод испытаний IPC включает испытания этих плат при высоких температурах около 65 или 85 градусов по Цельсию (от 149 до 185 градусов по Фаренгейту) и в условиях высокой влажности 87-процентной относительной влажности (RH). После того, как вы подали 100 вольт постоянного тока для получения первоначальных измерений сопротивления изоляции, образцы подвергаются 96-часовому кондиционированию при температуре и влажности, после чего следует еще один раунд измерений сопротивления изоляции.

Затем образцы подвергаются минимум 500-часовым испытаниям с постоянно приложенным напряжением смещения. Проводите измерения высокого сопротивления каждые 24–100 часов в течение этого времени. Через 500 часов выполните еще одну серию измерений сопротивления изоляции.

После теста вы просматриваете данные на наличие значительных падений или короткого замыкания с высоким сопротивлением. Если плата выходит из строя, и вы подозреваете, что это сбой CAF, вы можете выполнить анализ сбоя, используя методы тестирования, такие как перечисленные выше, чтобы подтвердить причину.

Тест даст вам процент отказов через 500 часов для каждого интервала. Вы можете описать результаты теста с точки зрения устойчивости к CAF или качества CAF. Сопротивление CAF фокусируется на определении того, подвержена ли материальная система образованию CAF, и не подчеркивает дефекты. Качество CAF — это модель частоты отказов материала, которая может включать отказы, связанные с дефектами.

Стойкие к CAF материалы для печатных плат производства Millennium Circuits Limited

Сопротивление CAF должно быть главной заботой любого проекта печатной платы.

По мере того, как печатные платы становятся меньше, а элементы должны располагаться ближе друг к другу, риск образования CAF увеличивается. Для плат, используемых в определенных условиях и в приложениях, где надежность имеет решающее значение, производительность CAF особенно важна.

Вот почему все материалы, которые предлагает Millennium Circuits Limited, устойчивы к CAF. Мы предлагаем широкий выбор материалов, гибких и жестко-гибких схем и отделки поверхности, а также мощные и тепловые платы. Мы также предоставляем инженерные услуги, включая создание панелей, проверку правил проектирования и моделирование с контролируемым импедансом. Мы выполняем заказы любого размера, от прототипирования до крупных заказов с быстрым выполнением.

Если вам нужны высококачественные продукты, отличное обслуживание клиентов, своевременная доставка и конкурентоспособные цены, доверяйте Millennium Circuits Limited для всех ваших потребностей в печатных платах. Просмотрите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о наших возможностях. Вы также можете связаться с нами по любым вопросам, которые могут у вас возникнуть, и запросить быструю смету, заполнив эту онлайн-форму.

Запросить бесплатное предложение