Guia para problemas de PCB CAF

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• O que é formação de filamento anódico condutor
• Perspectiva histórica da CAF
• Como evitar falhas no CAF
• Identificando o CAF
• Teste de resistência de filamento anódico condutor
• Materiais PCB resistentes a CAF da Millenium Circuits Limited

A falha do filamento anódico condutor (CAF) é uma preocupação comum e crescente na indústria eletrônica. Tem o potencial de ser um modo de falha catastrófico, onde um sal condutor contendo cobre pode se formar dentro das placas de circuito impresso (PCBs). É um tipo de migração eletroquímica que cresce ao longo da interface de epóxi ou vidro do ânodo para a subsuperfície do cátodo. A migração eletroquímica é um processo no qual filamentos metálicos condutores crescem através de um material dielétrico.

O que é formação de filamento anódico condutor?

A formação do CAF é o termo para o processo pelo qual o CAF cresce. A formação do CAF é descrita como um processo de duas etapas:

1. Primeiro, a interface de vidro de resina se degrada, o que acredita-se ser reversível.
2. O segundo estágio, a migração eletroquímica, não é reversível.

A falha de CAF refere-se à falha elétrica que resulta da formação de CAF. A falha ocorre quando o CAF cresce do ânodo para o cátodo.

Para que o CAF se forme, você precisa de várias coisas presentes:

• Portadores de carga elétrica, que permitem a formação de uma célula eletroquímica.
• Água, que ocorre devido ao acúmulo de umidade e umidade e dissolve o material iônico, mantendo-o em seu estado iônico móvel.
• Um ambiente ácido próximo aos condutores para permitir a corrosão no ânodo.
• Uma polarização de tensão, que é a força que impulsiona a reação.
• Um caminho para os íons seguirem à medida que se movem do ânodo para o cátodo.

Acredita-se que muitos outros fatores aceleram o processo de formação, incluindo altas temperaturas, alta umidade, ciclos térmicos repetidos, gradiente de alta tensão entre ânodo e cátodo, alguns ingredientes de fluxo de solda e muito mais. Outros problemas, como falhas de componentes e temperaturas de operação máximas excessivas, também podem contribuir para uma falha relacionada ao CAF.

Perspectiva Histórica da CAF

O CAF foi identificado pela primeira vez em 1976 por pesquisadores do Bell Lab. Os primeiros estudos envolveram testes de diferentes revestimentos de resinas curadas por UV usando circuitos impressos flexíveis de linha fina FR-4. Outras variáveis ​​de prevenção de falhas também foram estudadas, incluindo o número de camadas de reforço de vidro, camada de cobertura e a espessura da camada de camada de manteiga epóxi. Os pesquisadores descobriram que poderiam modelar o tempo até a falha em um gráfico log-normal e identificaram temperatura, umidade e viés como fatores que aceleraram o processo. Eles também descreveram quatro falhas relacionadas ao substrato.

Em 1979, os pesquisadores usaram pela primeira vez o termo CAF para se referir a essas falhas. O artigo que o utilizou pela primeira vez se concentrou em como os materiais e a orientação do condutor se relacionavam com a formação do CAF. Nesse mesmo ano, também viu a introdução do modelo de dois estágios. As investigações sobre o CAF continuaram até hoje, com pesquisadores testando como a umidade, temperatura, viés, materiais, orientação do condutor e outros fatores influenciam sua formação.

A maior parte dessa pesquisa se concentrou em laminados tradicionais, como FR-4, G-10, BT e MC-2. Mais recentemente, porém, alguns aplicaram materiais mais novos, como laminados resistentes a CAF ou sem halogênio, que normalmente têm propriedades térmicas aprimoradas.

Nos últimos anos, aprender como evitar falhas no CAF tornou-se uma preocupação mais premente à medida que os fabricantes produzem PCBs menores com maior densidade de circuito. As placas agora também são mais usadas em ambientes e condições adversas onde a confiabilidade é crítica. Além disso, o uso de solda sem chumbo e o aumento das opções de materiais aumentaram o interesse pelo tema.

Embora agora saibamos muito mais sobre a CAF do que antes de 1976, a pesquisa continua. À medida que a tecnologia melhora, aprendemos mais sobre por que a CAF ocorre, como identificá-la e como preveni-la.

Como evitar falhas no CAF

Existem muitas medidas diferentes que você pode tomar para minimizar o risco de falha do CAF. Pesquisas sobre maneiras de evitar esse problema estão em andamento, mas evitar as condições que permitem a formação de CAF ajudará a evitá-lo. Aqui estão alguns dos fatores a serem considerados:

1. Umidade e Umidade

Como requer um eletrólito, um teor de água mais alto aumenta a chance de falha do CAF. O aumento da umidade leva a um maior teor de umidade, o que diminui o desempenho do CAF.

2. Processos que levam à contaminação ácida

Os processos usados ​​durante a fabricação podem introduzir contaminações ácidas, o que aumenta a probabilidade de formação de CAF. A utilização de alguns fluxos de solda e a introdução de resíduos ácidos durante o processo de galvanização são exemplos disso.

3. Viés e tensão

Como a tensão de polarização é a força que impulsiona a reação, uma polarização de alta tensão diminuirá significativamente as chances de formação de CAF. Voltagens mais altas também diminuem o desempenho do CAF.

4. Defeitos pré-existentes

Defeitos pré-existentes, como fraturas, vazios, absorção, contaminação e registro incorreto, também podem criar caminhos para filamentos problemáticos. É preciso ter cuidado ao fazer os furos para não danificar a placa. Esses danos podem criar esses caminhos, causando rachaduras, wicking e outros defeitos. A velocidade de perfuração, a taxa de avanço e outros fatores influenciam a probabilidade de ocorrência desses problemas. Defeitos parciais, como ponte incompleta entre recursos, também podem contribuir.

Altas temperaturas, como as da temperatura ambiente, ciclos térmicos repetitivos e refluxo com alta temperatura de pico, criam mais estresse em uma placa e aumentam a probabilidade de danos, bem como a formação de CAF.

5. Materiais

Outro fator influente de falha da CAF são os materiais usados ​​para fazer a placa. O uso de materiais resistentes a CAF, como faz a Millennium Circuits Limited, é uma das maneiras mais eficazes de prevenir a formação e falha de CAF.

Quando se trata de materiais laminados, vários estudos nos últimos 30 anos mediram a suscetibilidade ao CAF de vários laminados. A pesquisa sugere que a bismaleimida triazina (BT) é o laminado mais resistente ao CAF, enquanto o MC-2 é o mais suscetível. Os laminados com alta resistência térmica tendem a resistir melhor à formação de CAF.

É importante notar, porém, que mesmo materiais laminados com especificações idênticas de diferentes fornecedores podem diferir na resistência CAF. Em geral, no entanto, a suscetibilidade de vários laminados, do menos ao mais suscetível, é a seguinte:

• MC-2
• Epóxi/Kevlar
• FR-4 e PI (aproximadamente iguais)
• CE
• BT

Os fabricantes de PCB frequentemente usam acabamentos de vidro e sistemas de resina para aumentar a resistência do isolamento e evitar a formação de CAF. Ambos os materiais são considerados úteis para esta finalidade. Testes das duas substâncias, no entanto, mostraram que os sistemas de resina têm um impacto mais significativo do que os revestimentos de vidro. Usar os dois juntos pode ser uma solução ideal.

Outras pesquisas revelaram que a resina curada com DICY pode ser menos propensa a promover o crescimento de CAF do que a resina curada com fenólico. As fibras acabadas são menos prováveis ​​do que as fibras limpas a quente e em estado de tear para formar CAF com fibras em estado de tear com a maior suscetibilidade ao crescimento de CAF. A limpeza da fibra, a distribuição e a resistência à hidrólise — o que ajuda a preservar as ligações vidro-resina — influenciam a eficácia dos revestimentos de tecido de vidro ou silano. Resinas com absorção de baixa umidade, componentes de resina pura aprimorados e estabilidade química reforçada - incluindo resistência à hidrólise - têm melhor desempenho CAF.

Outros fatores relacionados ao material incluem o tipo de acabamento, como HASL, ENIG, prata de imersão ou estanho de imersão e tipo de máscara de solda.

6. Projeto

O projeto e fabricação de um PCB também desempenha um papel crucial na determinação de sua resistência CAF.

Placas que têm uma lacuna menor entre os recursos com polarização de tensão falham mais rapidamente do que aquelas com lacunas maiores, embora se acredite que isso tenha impacto apenas na segunda etapa do processo de formação de CAF.



Além do espaçamento furo a furo e linha a linha, o tamanho dos furos perfurados e a espessura do cobre nos furos passantes chapeados afetam a resistência CAF. Ter características mais tendenciosas também aumenta o número de oportunidades que a CAF tem para formar. As vias anódicas também falham mais rapidamente do que as vias catódicas. Sua direção de urdidura e trama também desempenha um papel. Vias escalonadas em ângulos de 45 graus têm maior resistência ao CAF. Se vazios de preenchimento, paradas de vidro, absorção ou outros problemas estiverem presentes após a fabricação, eles podem atuar como caminhos pré-existentes para o crescimento do CAF.

Outros processos que podem aumentar a probabilidade de formação de CAF incluem os processos de refluxo e desmame.

Muitos aspectos diferentes de um PCB, incluindo aspectos de seu projeto e fabricação, afetam sua resistência à formação de CAF. Esses fatores incluem:

• Os materiais usados, incluindo laminados, sistemas de resina e revestimentos de vidro.
• Fatores de design, como distância entre furos e layout.
• Processos como solda e refluxo.
• Níveis de tensão.
• Tensão de polarização.
• Defeitos preexistentes e outros problemas de qualidade de fabricação.

Como muitos fatores influenciam o desempenho do CAF, você deve considerar o CAF durante todas as etapas do processo de produção de PCB. Otimizar sua placa para resistência a CAF resultará em um produto final mais confiável.

Identificando o CAF

Identificar o CAF quando ocorre é um desafio, dificultando a inspeção e o estudo. CAF geralmente ocorre em camadas enterradas dentro de PCBs. Ele também pode aparecer ao lado de outros fatores de falha contribuintes, tornando difícil perceber quando o CAF é um modo de falha exclusivamente responsável.

Você pode, no entanto, usar vários métodos de teste avançados para verificar e caracterizar a formação e falha do CAF. Esses testes incluem métodos elétricos padrão IPC conhecidos como testes de resistência de isolamento de superfície (SIR), que incluem:

• Teste de migração eletroquímica IPC: Um teste padrão IPC para medir a resistência ao fluxo de corrente na superfície de um substrato de PCB.
• Teste de polarização de temperatura-umidade (T-H-B): Um teste SIR que leva em consideração a temperatura de processamento, umidade relativa e de envelhecimento e polarização de tensão.

Você também pode usar vários métodos para criar imagens da formação CAF em um PCB. Essas técnicas incluem:

• Microscopia eletrônica de varredura (SEM): Este método envolve o uso de um canhão de feixe de elétrons primário que envia elétrons para o ânodo carregado positivamente no vácuo através de lentes eletromagnéticas. Você pode operar este dispositivo no modo de elétron secundário (SE) — ideal para imagens de topografia de superfície — ou no modo de elétron retrodisperso (BSE), que permite contraste de número atômico.
• Espectroscopia Dispersiva de Energia (EDS): Este feixe de elétrons incidente pode ser usado para identificar elementos como cobre, cloro e bromo.
• Feixe de íons focado (FIB): Com essa técnica, você pode ampliar uma superfície em alta resolução e, em seguida, fazer uma seção transversal fina para obter uma imagem 3D.
• Microscopia eletrônica de transmissão (TEM): Este sistema, que funciona de forma semelhante a um microscópio de luz, pode identificar as fases do material e determinar a estrutura cristalográfica.
• Espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS): Às vezes chamado de espectroscopia eletrônica para análise química (ESCA), esse método é uma técnica de análise de superfície que pode identificar compostos químicos.
• Espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR): Essa técnica analisa os constituintes orgânicos e cria um espectro de leituras de intensidade e comprimento de onda.
• Cromatografia de íons: Este processo, que pode ser cromatografia de troca aniônica ou catiônica, separa íons e moléculas polares.

Teste de resistência de filamento anódico condutor

A realização de um teste de resistência CAF de uma placa ajuda a garantir sua qualidade e confiabilidade geral. IPC, a associação comercial para as indústrias de placas de circuito e montagem eletrônica, tem um procedimento de teste padrão para resistência CAF intitulado IPC-TM-650 Método 2.6.25A. O uso de um método de teste padronizado permite classificações de resistência CAF facilmente compreensíveis e comparáveis.

Para este teste, você pode usar designs de cupom padrão IPC, como IPC-9253 e IPC-9254, que possuem 10 camadas e dimensões de aproximadamente 125×175 milímetros, bem como IPC-9255 e IPC 9256. Alguns fabricantes de equipamentos originais também usar seus próprios designs de cupom. Ao testar um laminado para desempenho CAF, você deve usar vários designs que tenham uma variedade de espaçamentos de recursos, layouts e tamanhos de furos.

O método de teste IPC recomenda o uso de pelo menos 25 placas de teste por lote de amostra por nível de polarização, o que fornece 4.200 pontos de falha CAF furo a furo potenciais em linha e 7.800 locais de falha CAF furo a furo diagonal potenciais para cada amostra e conjunto de condição.

O método de teste IPC envolve testar essas placas sob altas temperaturas de cerca de 65 ou 85 graus Celsius (149 a 185 graus Fahrenheit) e condições de alta umidade de 87 por cento de umidade relativa (RH). Depois de aplicar 100 volts de corrente contínua para obter medições iniciais de resistência de isolamento, as amostras passam por 96 horas de condicionamento de temperatura e umidade, seguidas por outra rodada de medições de resistência de isolamento.

Em seguida, as amostras passam por um mínimo de 500 horas de teste com uma tensão de polarização aplicada continuamente. Faça medições de alta resistência a cada 24 a 100 horas durante esse período. Após 500 horas, faça outro conjunto de medições de resistência de isolamento.

Após o teste, você revisa os dados quanto a quedas significativas ou curto-circuito de alta resistência. Se a placa falhar e você suspeitar que é uma falha CAF, você pode realizar uma análise de falha usando métodos de teste como os listados acima para confirmar a causa.



O teste fornecerá uma taxa de falha percentual em 500 horas para cada espaçamento. Você pode descrever os resultados do teste em termos de resistência CAF ou qualidade CAF. A resistência CAF se concentra em determinar se um sistema de material é ou não suscetível à formação de CAF e não enfatiza defeitos. A qualidade CAF é um modelo de taxa de falha de um material e pode incluir falhas baseadas em defeitos.

Materiais PCB resistentes a CAF da Millennium Circuits Limited

A resistência ao CAF deve ser a principal preocupação para qualquer projeto de placa de circuito impresso.

À medida que os PCBs se tornam menores e os recursos devem ser colocados mais próximos, o risco de formação de CAF aumenta. Para placas usadas em certas condições e em aplicações onde a confiabilidade é crítica, o desempenho CAF é especialmente vital.

É por isso que todos os materiais que a Millennium Circuits Limited fornece são resistentes ao CAF. Oferecemos uma gama de variedades de materiais, circuitos flexíveis e rígidos-flex e acabamentos de superfície, bem como placas de alta potência e térmicas. Também fornecemos serviços de engenharia, incluindo criação de painéis, verificação de regras de projeto e modelagem de impedância controlada. Lidamos com pedidos de qualquer tamanho, desde prototipagem até pedidos de alto volume com retorno rápido.

Para produtos de alta qualidade, excelente atendimento ao cliente, entrega confiável no prazo e preços competitivos, confie na Millennium Circuits Limited para todas as suas necessidades de PCB. Navegue em nosso site para saber mais sobre nossas capacidades. Você também pode entrar em contato conosco com qualquer dúvida que possa ter e solicitar um orçamento rápido preenchendo este formulário online.

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