Понимание и предотвращение проводящих анодных нитей (CAF) в печатных платах

Навигация:

• Что такое образование проводящих анодных нитей
• Исторический взгляд на CAF
• Как избежать отказов CAF
• Идентификация CAF
• Тест на устойчивость к проводящим анодным нитям
• CAF-устойчивые материалы печатных плат от Millennium Circuits Limited

 

Отказ проводящих анодных нитей (CAF) — это распространенная и растущая проблема в электронной промышленности. Он имеет потенциал стать катастрофическим режимом отказа, где проводящая соль, содержащая медь, может образовываться внутри печатных плат (ПП). Это тип электрохимической миграции, который растет вдоль эпоксидного или стеклянного интерфейса от анода к катоду под поверхностью. Электрохимическая миграция — это процесс, в котором проводящие металлические нити растут через диэлектрический материал.

 

Что такое образование проводящих анодных нитей?

Образование CAF — это термин для процесса, которым растет CAF. Образование CAF описывается как двухстадийный процесс:

1. Сначала деградирует интерфейс стекло-смола, что считается обратимым.
2. Вторая стадия, электрохимическая миграция, необратима.

Отказ CAF относится к электрическому отказу, который результатирует из образования CAF. Отказ происходит, когда CAF растет от анода к катоду.

Для формирования CAF необходимо наличие нескольких вещей:

• Переносчики электрического заряда, которые позволяют формирование электрохимической ячейки.
• Вода, которая возникает из-за влажности и накопления влаги и растворяет ионный материал, поддерживая их в подвижном ионном состоянии.
• Кислая среда возле проводников для обеспечения коррозии на аноде.
• Напряженное смещение (bias), которое является силой, движущей реакцию.
• Путь для ионов, чтобы они двигались от анода к катоду.

Многие другие факторы считаются ускоряющими процесс формирования, включая высокие температуры, высокую влажность, повторные термические циклы, высокий градиент напряжения между анодом и катодом, некоторые ингредиенты паяльного флюса и многое другое. Другие проблемы, такие как отказы компонентов и превышение максимальных рабочих температур, также могут способствовать отказам, связанным с CAF.

 

Исторический взгляд на CAF

CAF был впервые идентифицирован в 1976 году исследователями Bell Lab. Первые исследования включали тесты различных покрытий UV-отверждаемых смол с использованием гибких печатных цепей FR-4 тонкой линии. Дальнейшие переменные предотвращения отказов также изучались, включая количество слоев стекловолоконного усиления, защитное покрытие и толщину слоя эпоксидного масла. Исследователи обнаружили, что они могут моделировать время до отказа на лог-нормальном графике и идентифицировали температуру, влажность и смещение как факторы, ускоряющие процесс. Они также описали четыре отказа, связанных с подложкой.

В 1979 году исследователи впервые использовали термин CAF для обозначения этих отказов. Статья, впервые использовавшая его, фокусировалась на том, как материалы и ориентация проводников связаны с формированием CAF. Тот же год увидел введение двухстадийной модели. Исследования CAF продолжаются до сих пор, с тестированием того, как влажность, температура, смещение, материалы, ориентация проводников и другие факторы влияют на его формирование.

Большинство этих исследований фокусировалось на традиционных ламинатах, таких как FR-4, G-10, BT и MC-2. Недавно, однако, некоторые применили более новые материалы, а именно CAF-устойчивые или галоген-свободные ламинаты, которые обычно имеют улучшенные тепловые свойства.

В последние годы изучение того, как предотвратить отказы CAF, стало более насущной проблемой, поскольку производители выпускают более мелкие печатные платы с более высокой плотностью цепей. Платы теперь также используются в более суровых средах и условиях, где надежность критична. Кроме того, использование безоловной пайки и увеличение выбора материалов усилили интерес к теме.

Хотя мы теперь знаем гораздо больше о CAF, чем мы делали до 1976 года, исследования продолжаются. По мере улучшения технологий мы узнаем больше о том, почему происходит CAF, как его идентифицировать и как его предотвратить.

 

Как избежать отказов CAF

Существует много различных мер, которые вы можете принять, чтобы минимизировать риск отказов CAF. Исследования способов избежать этой проблемы продолжаются, но избегание условий, позволяющих формирование CAF, поможет его предотвратить. Вот некоторые факторы, которые нужно учитывать:

 

1. Влажность и влага

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

2. Процессы, ведущие к кислотному загрязнению

Процессы, используемые при фарбировке, могут вводить кислотное загрязнение, что увеличивает вероятность формирования CAF. Использование некоторых паяльных флюсов и введение кислотных остатков в процессе металлизации — примеры этого.

 

3. Смещение и напряжение

Поскольку смещение напряжения — это сила, движущая реакцию, высокое смещение напряжения значительно снизит шансы формирования CAF. Более высокие напряжения также снижают производительность CAF.

 

4. Предварительные дефекты

Предварительные дефекты, такие как трещины, пустоты, каппиллярное затягивание, загрязнение и несоответствие регистрации, также могут создавать пути для проблемных нитей. Вы должны быть осторожны при сверлении отверстий, чтобы не повредить плату. Такие повреждения могут создавать эти пути, вызывая трещины, каппиллярное затягивание и другие дефекты. Скорость сверления, скорость подачи и другие факторы влияют на то, насколько вероятно возникновение этих проблем. Частичные дефекты, такие как неполное мосткование между элементами, также могут способствовать.

Высокие температуры, такие как от температуры окружающей среды, повторные термические циклы и рефлоу с высокой пиковой температурой создают больше напряжения на плате и увеличивают вероятность повреждений, а также формирования CAF.

5. Материалы

Еще один влиятельный фактор отказа CAF — материалы, используемые для изготовления платы. Использование CAF-устойчивых материалов, как делает Millennium Circuits Limited, является одним из самых эффективных способов предотвратить формирование и отказ CAF.

Когда речь идет о материалах ламината, различные исследования за последние 30 лет измеряли восприимчивость к CAF различных ламинатов. Исследования предполагают, что бисмалеимидтриазин (BT) — это ламинат, наиболее устойчивый к CAF, в то время как MC-2 наиболее восприимчивы. Ламинаты с высокой термостойкостью склонны лучше сопротивляться формированию CAF.

Важно отметить, что даже одинаково специфицированные материалы ламината от разных поставщиков могут отличаться в устойчивости к CAF. В общем, однако, восприимчивость различных ламинатов от наименее восприимчивых к наиболее восприимчивым следующая:

• MC-2
• Эпоксид/Кевлар
• FR-4 и PI (приблизительно равны)
• CE
• BT

Производители печатных плат часто используют стеклянные отделки и смольные системы для увеличения изоляционного сопротивления и предотвращения формирования CAF. Оба этих материала считаются полезными для этой цели. Тесты двух веществ, однако, показали, что смольные системы имеют более значительное влияние, чем стеклянные покрытия. Использование двух вместе может быть идеальным решением.

Дальнейшие исследования раскрыли, что DICY-отвержденная смола может быть менее склонна способствовать росту CAF, чем феноль-отвержденная смола. Отделанные волокна менее склонны, чем теплоочищенные и ткацкие волокна, образовывать CAF, причем ткацкие волокна имеют наивысшую восприимчивость к росту CAF. Чистота волокон, распределение и гидролитическое сопротивление — которое помогает сохранять стекло-смольные связи — влияют на эффективность стеклоткани или силиановых покрытий. Смолы с низким поглощением влаги, улучшенными компонентами чистой смолы и усиленной химической стабильностью — включая гидролитическое сопротивление — имеют лучшую производительность CAF.

Другие факторы, связанные с материалами, включают тип покрытия, такой как HASL, ENIG, погружение в серебро или погружение в олово, и тип паяльной маски.

 

6. Дизайн

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

Платы, имеющие меньший зазор между напряженными смещением элементами, отказывают быстрее, чем те с большими зазорами, хотя считается, что это влияет только на вторую стадию процесса формирования CAF.

Помимо расстояния отверстие-отверстие и линия-линия, размер сверленных отверстий и толщина меди в металлизированных сквозных отверстиях влияют на устойчивость к CAF. Наличие большего количества смещенных элементов также увеличивает количество возможностей для CAF для формирования. Анодные вьезы также отказывают быстрее, чем катодные вьезы. Их направление утка и основы также играют роль. Вьезы, расставленные под углами 45 градусов, имеют более высокую устойчивость к CAF. Если после фарбировки присутствуют пустоты заполнения, остановки стекла, каппиллярное затягивание или другие проблемы, они могут действовать как предварительные пути для роста CAF.

Другие процессы, которые могут увеличить вероятность формирования CAF, включают рефлоу и процессы десмна.

Многие разные аспекты печатной платы, включая аспекты ее дизайна и фарбировки, влияют на ее устойчивость к формированию CAF. Эти факторы включают:

• Используемые материалы, включая ламинаты, смольные системы и стеклянные покрытия.
• Факторы дизайна, такие как расстояние отверстие-отверстие и компоновка.
• Процессы, такие как пайка и рефлоу.
• Уровни напряжения.
• Смещение напряжения.
• Предварительные дефекты и другие проблемы качества фарбировки.

Поскольку так много факторов влияют на производительность CAF, вы должны учитывать CAF на каждой стадии процесса производства печатных плат. Оптимизация вашей платы для устойчивости к CAF приведет к более надежному конечному продукту.

 

Идентификация CAF

Идентификация CAF после его возникновения является сложной, делая трудным инспектирование и изучение. CAF часто происходит в слоях, зарытых внутри печатных плат. Он также может появляться вместе с другими способствующими факторами отказа, делая трудным осознание, когда CAF является единственно ответственным режимом отказа.

Вы можете, однако, использовать различные передовые методы тестирования для проверки и характеристики формирования и отказа CAF. Эти тесты включают стандартные электрические методы IPC, известные как тесты поверхностного изоляционного сопротивления (SIR), которые включают:

• Тестирование электрохимической миграции IPC: Стандартный тест IPC для измерения сопротивления течению тока через поверхность подложки печатной платы.
• Тестирование Температура-Влажность-Смещение (T-H-B): Тест SIR, учитывающий температуру обработки, относительную и старения влажность и напряжение смещения.

 

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

• Расканирующая электронная микроскопия (SEM): Этот метод включает использование первичного электронно-лучевого пушки, который посылает электроны к положительно заряженному аноду в вакууме через электромагнитные линзы. Вы можете работать с этим устройством либо в режиме вторичных электронов (SE) — который идеален для изображения топографии поверхности — либо в режиме обратнорассеянных электронов (BSE), который позволяет контраст по атомному номеру.
• Энергодисперсионная спектроскопия (EDS): Этот падающий электронный луч может использоваться для идентификации элементов, таких как медь, хлор и бром.
• Фокусированный ионный луч (FIB): С этой техникой вы можете увеличить поверхность в высоком разрешении, а затем сделать тонкое поперечное сечение для получения 3-D изображения.
• Проходная электронная микроскопия (TEM): Эта система, которая работает аналогично световому микроскопу, может идентифицировать материальные фазы и определить кристаллографическую структуру.
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS): Иногда называемая электронной спектроскопией для химического анализа (ESCA), этот метод является техникой анализа поверхности, которая может идентифицировать химические соединения.
• Фурье-преобразование инфракрасной спектроскопии (FTIR): Эта техника анализирует органические составляющие и создает спектр показаний интенсивности и длины волны.
• Ионная хроматография: Этот процесс, который может быть либо анионным, либо катионным обменной хроматографией, разделяет ионы и полярные молекулы.

 

Тест на устойчивость к проводящим анодным нитям

Проведение теста устойчивости платы к CAF помогает обеспечить ее общее качество и надежность. IPC, торговая ассоциация для промышленности печатных плат и сборки электроники, имеет стандартную процедуру тестирования устойчивости к CAF под названием IPC-TM-650 Метод 2.6.25A. Использование стандартизированного тестового метода позволяет легко понимать и сравнивать рейтинги устойчивости к CAF.

Для этого теста вы можете использовать стандартные купоны IPC, такие как IPC-9253 и IPC-9254, которые имеют 10 слоев и размеры примерно 125×175 миллиметров, а также IPC-9255 и IPC 9256. Некоторые оригинальные производители оборудования также используют свои собственные дизайны купонов. При тестировании ламината на производительность CAF вы должны использовать несколько дизайнов, которые имеют диапазон интервалов элементов, компоновок и размеров отверстий.

Метод теста IPC рекомендует использовать не менее 25 тестовых плат на выборку на уровень смещения, что обеспечивает 4 200 потенциальных точек отказа CAF в линии, отверстие-отверстие, и 7 800 потенциальных диагональных точек отказа CAF отверстие-отверстие для каждой выборки и набора условий.

Метод теста IPC включает тестирование этих плат при высоких температурах около 65 или 85 градусов Цельсия (149 до 185 градусов Фаренгейта) и условиях высокой влажности 87-процентной относительной влажности (RH). После применения 100 вольт постоянного тока для получения начальных измерений изоляционного сопротивления, образцы проходят 96 часов кондиционирования температуры и влажности, за которым следует другой раунд измерений изоляционного сопротивления.

Затем образцы проходят минимум 500 часов тестирования с постоянно применяемым смещением напряжения. Делайте измерения высокого сопротивления каждые 24–100 часов в течение этого времени. После 500 часов сделайте другой набор измерений изоляционного сопротивления.

После теста вы просматриваете данные на предмет любых значительных падений или коротких замыканий высокого сопротивления. Если плата проваливается и вы подозреваете, что это отказ CAF, вы можете выполнить анализ отказа, используя тестовые методы, перечисленные выше, чтобы подтвердить причину.

Тест даст вам процент отказа на 500 часов для каждого интервала. Вы можете описать результаты теста в терминах устойчивости к CAF или качества CAF. Устойчивость к CAF фокусируется на определении того, восприимчива ли материальная система к формированию CAF, и не делает акцент на дефектах. Качество CAF — это модель частоты отказа материала и может включать дефектно-основанные отказы.

 

CAF-устойчивые материалы печатных плат от Millennium Circuits Limited

Устойчивость к CAF должна быть первичной заботой для любого проекта печатной платы.

По мере того как печатные платы становятся меньше, а элементы должны размещаться ближе друг к другу, риск формирования CAF увеличивается. Для плат, используемых в определенных условиях и в приложениях, где надежность критична, производительность CAF особенно жизненно важна.

Именно поэтому все материалы, которые предоставляет Millennium Circuits Limited, устойчивы к CAF. Мы предлагаем ряд видов материалов, гибкие и жестко-гибкие цепи и поверхностные покрытия, а также высокомощные и тепловые платы. Мы также предоставляем инженерные услуги, включая создание панелей, проверку правил проектирования и моделирование контролируемого импеданса. Мы обрабатываем заказы любого размера, от прототипирования до заказов большого объема с быстрым исполнением.

Для высококачественных продуктов, отличного обслуживания клиентов, надежной своевременной доставки и конкурентоспособных цен доверяйте Millennium Circuits Limited все ваши потребности в печатных платах. Просмотрите наш веб-сайт, чтобы узнать больше о наших возможностях. Вы также можете связаться с нами с любыми вопросами, которые у вас могут быть, и запросить быструю котировку, заполнив эту онлайн-форму.

 

Запросить бесплатную котировку