CAF（导电性阳极丝）引起PCBA失效

随着电子产品的越来越轻、薄、小型化，以及元器件与封装技术的发展，使得PCB线路更加密集，孔间距、线间距更加狭小，这对覆铜板的电气绝缘等性能提出了更高的要求。

导线间距离的缩短，使得导体间的单位距离电压也随之提升，导体（如金属化孔或线路）中金属离子受直流电场的影响下，产生电化学反应，金属被溶解成离子，并在导体之间的绝缘层（或表面）有析出的现象。在高温湿环境、施加电压条件下，来自导线电路或金属化孔上的铜金属离子由电极析出，产生迁移。沿着玻璃纤维上的铜离子迁移而发生的电蚀现象，称为CAF（Copdutive Anodic Filament），CAF的发生，将使导体间的绝缘电阻下降，以至发生短路，它严重影响PCBA的可靠性。

1 液晶电视PCBA失效案例分析

1.1问题简述

据售后维修工程师在维修专用液晶电视机时发现，引起故障原因较多为导通孔与旁边的接地过孔绝缘性不良造成，比例较高且原因有共同特征。对此问题进行分析研究，找出问题原因和制定解决措施。

1.2分析过程

1.2.1失效PCBA和光板PCB外观实物图片（见图1）

说明：该产品板材—FR-4；板厚—1.6 mm；层数--双面板；单板尺寸—200 mm×190 mm。

通过对失效PCBA的故障位置进行外观检查，未发现有明显不良及异物残留。

1.2.2电测

对失效PCBA样品及光板PCB对应故障位置进行电阻测量，结果见表1。

样  品

检测结果

①-②

①-③

失效PCBA

7.48x107 Ω

7.52x107 Ω

光板PCB

1#

4.46x1010 Ω

4.38x1010 Ω

2#

4.49x1010 Ω

4.31x1010 Ω

1.2.3恒定湿热试验

对失效PCBA样品及PCB空板样品进行恒定湿热试验，具体条件如下：

1）  用单股的绝缘导线焊接在与指定过孔相连的导线上；

2）  焊接后助焊剂清洗干净；

3）  样品置入65℃、85%RH的潮热试验箱内进行恒定温热试验；

4）  在不同时间对PCBA及PCB样品进行绝缘电阻值测量；

5）  对PCB样品加50V DC极化电压；

焊接后样品外观见图2，检测结果见表2

样 品

检测结果

①-②

①-③

失效PCBA

24 h后

5.18x107Ω

5.10x107Ω

48 h后

3.68x107Ω

3.34x107Ω

120 h后

4.34x107Ω

4.73x107Ω

光板PCB

1#

96 h后

3.69x108Ω

2.31x108Ω

2#

1.02x108Ω

1.15x108Ω

1#

120 h后

2.56x107Ω

2.17x107Ω

2#

2.52x105Ω

2.64x105Ω

1#

潮热试验后,恢复

2 h

1.75x1011Ω

1.68x1011Ω

2#

6.31x105Ω

6.40x105Ω

1.2.4金相切片分析

对PCBA失效样品中的绝缘电阻异常的①、②、③过孔作金相切片分析，结果显示：沿过孔之间的玻璃纤维缝隙间发现明显铜丝存在，其铜丝的存在使得两孔之间的绝缘间距明显变小，详见图3、图4

另外，对光板PCB 2#样品出现绝缘电阻异常的①、②、③过孔作金相切片分析，结果显示：沿过孔之间的玻璃纤维缝隙同样发现明显铜丝存在，详见图5

1.2.5综合分析

通过对失效PCBA指定位置过孔与接地过孔之间进行常态及湿热后（65 ℃、85% RH，120 h）绝缘电阻测量，指定孔间绝缘电阻均超过10 MΩ，但低于IPC-6012B标准要求的不低于100 MΩ。

通过对失效样品的三个过孔的金相切片显示：过孔之间有明显的铜丝（导电性阳极丝CAF）存在，从而导致两孔之间的绝缘电阻降低，产生漏电引起PCBA失效。

CAF失效的产生一般分为两个阶段：阶段一，高温高湿的环境下，使得环氧树脂与玻纤之间的附著力出现劣化，并促成玻纤表面硅烷偶联剂的化学水解，从而在环氧树脂与玻纤的界面上形成沿着玻纤增强材料形成CAF泄露的通路；阶段二，铜腐蚀的水解反应，并形成铜盐的沉积物，并在电位差的驱动之下，形成CAF生长，其化学反应式为：

1）  Cu→Cu2++2e-（铜在阳极发生溶解）

H20→H++OH-

2H+2e-→H2

2）  Cu2++ 2OH-→Cu（OH）2（铜从阳极向阴板方向发生迁移）

3）  CuO+ H20→Cu（OH）2→Cu2++ 2OH-（铜在阴极沉积）

Cu2++2e-→Cu

另外通过PCB光板的120 h恒定湿热对比试验（加载50 V DC老化电压），120 h后，恢复到室温后2PCS中有1PCS出现绝缘电阻显著降低到105Ω级别，随后的金相切片分析确认异常孔之间的玻纤缝隙之间存在明显的铜丝（导电性阳极丝CAF），进一步说明了PCB板本身在高温高湿及电位差存在的情况下易出现CAF失效现象。

1.2.6结论

失效PCBA是由于过孔玻纤缝隙之间明显存在的铜丝（导电性阳极丝CAF）存在所致。

2改善及预防措施

据研究表明，板材的CAF主要与下列因素有关：

树脂与纤维表面的亲合性、孔洞、杂质、吸水率、导线间距、孔粗糙性、PCB加工过程中的含聚乙二醇的助焊剂的浸泡时间等。因此改善上述要素将有助于提高覆铜板材的耐离子迁移性。就本案例来讲，我们主要采取了以下措施：

1) 对于使用在高温湿环境下的产品，要求PCB厂家增加覆铜板耐离子迁移（CAF）测试要求，从板材上进行改善，并加强工艺制程和品质控制；

2) IPC-2221A要求相邻导通孔间距不小于0.5 mm，我们修改企业标准提高到相邻导通孔间距不小于0.8 mm，还要求开发设计时尽可能增大孔间距；

3) 要求线路板制作时过孔全部盖绿油（孔径0.6 mm以下的绿油塞孔），虽然IPC没有明确的绿油厚度要求，但我们统一要求绿油厚度为线角大于10μm，线面大于15 μm；

经过上述改善后，CAF引起的PCBA失效问题得到有效控制。