Entendiendo y Previniendo Filamento Anódico Conductivo (CAF) en PCB

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• Qué es la Formación de Filamento Anódico Conductivo
• Perspectiva Histórica del CAF
• Cómo Evitar Fallas por CAF
• Identificación del CAF
• Prueba de Resistencia al Filamento Anódico Conductivo
• Materiales PCB Resistentes al CAF de Millennium Circuits Limited

La falla por Filamento Anódico Conductivo (CAF) es una preocupación común y creciente en la industria electrónica. Puede ser un modo de falla catastrófico, donde una sal conductora conteniendo cobre se forma dentro de PCB. Es un tipo de migración electroquímica que crece a lo largo de la interfaz epóxido-vidrio desde el ánodo hacia el cátodo subsuperficial. La migración electroquímica es un proceso donde filamentos metálicos conductores crecen a través de un material dieléctrico.

¿Qué es la Formación de Filamento Anódico Conductivo?

La formación de CAF es el proceso por el cual el CAF crece. Se describe como un proceso de dos etapas:

1. Primero, la interfaz resina-vidrio se degrada, lo que se cree reversible.
2. La segunda etapa, la migración electroquímica, no es reversible.

La falla CAF se refiere a la falla eléctrica resultante de la formación de CAF. Ocurre cuando el CAF crece desde el ánodo hasta el cátodo.

Para que se forme CAF, se necesitan varios elementos presentes:

• Portadores de carga eléctrica, que permiten la formación de una celda electroquímica.
• Agua, que ocurre por humedad y acumulación de humedad y disuelve el material iónico, manteniéndolos en estado iónico móvil.
• Un ambiente ácido cerca de conductores para permitir corrosión en el ánodo.
• Un sesgo de voltaje (bias), que es la fuerza que impulsa la reacción.
• Un camino para que los iones se muevan del ánodo al cátodo.

Muchos otros factores se cree que aceleran la formación: altas temperaturas, alta humedad, ciclos térmicos repetidos, alto gradiente de voltaje entre ánodo y cátodo, algunos ingredientes de flux de soldadura, y más. Otros problemas, como fallas de componentes y exceder temperaturas máximas de operación, también pueden contribuir a fallas relacionadas con CAF.

Perspectiva Histórica del CAF

El CAF fue identificado por primera vez en 1976 por investigadores de Bell Labs. Los primeros estudios involucraron pruebas de diferentes recubrimientos de resinas curadas con UV usando circuitos impresos flexibles de línea fina FR-4. Otras variables preventivas de fallas también se estudiaron, incluyendo número de capas de refuerzo de vidrio, recubrimiento superior (covercoat) y espesor de la capa de epóxido "buttercoat". Los investigadores encontraron que podían modelar el tiempo hasta falla en un gráfico log-normal e identificaron temperatura, humedad y sesgo como factores que aceleran el proceso. También describieron cuatro fallas relacionadas con el sustrato.

En 1979, investigadores usaron por primera vez el término CAF para referirse a estas fallas. El artículo que lo usó primero se centró en cómo materiales y orientación de conductores se relacionaban con la formación de CAF. Ese mismo año también vio la introducción del modelo de dos etapas. Las investigaciones sobre CAF han continuado hasta hoy, probando cómo humedad, temperatura, sesgo, materiales, orientación de conductores y otros factores influyen en su formación.

La mayoría de esta investigación se ha centrado en laminados tradicionales como FR-4, G-10, BT y MC-2. Más recientemente, algunos han aplicado materiales más nuevos, laminados resistentes al CAF o libres de halógeno, que típicamente tienen mejores propiedades térmicas.

En años recientes, aprender a prevenir fallas CAF se ha vuelto más urgente a medida que fabricantes producen PCB más pequeños con mayor densidad de circuito. Las placas ahora también ven más uso en entornos hostiles donde la fiabilidad es crítica. Además, el uso de soldadura sin plomo y el aumento de opciones de materiales han impulsado el interés en el tema.

Aunque ahora sabemos mucho más sobre CAF que antes de 1976, la investigación continúa. A medida que la tecnología mejora, aprendemos más sobre por qué ocurre CAF, cómo identificarlo y cómo prevenirlo.

Cómo Evitar Fallas por CAF

Hay muchas medidas para minimizar el riesgo de falla CAF. La investigación sobre formas de evitar este problema continúa, pero evitar las condiciones que permiten la formación de CAF ayudará a prevenirlo. Factores a considerar:

1. Humedad y Moisture

Porque requiere un electrolito, mayor contenido de agua aumenta la probabilidad de falla CAF. Mayor humedad conduce a mayor contenido de humedad, lo que disminuye el rendimiento frente a CAF.

2. Procesos que Llevan a Contaminación Ácida

Procesos usados durante fabricación pueden introducir contaminaciones ácidas, aumentando probabilidad de formación CAF. El uso de algunos fluxes de soldadura y la introducción de residuos ácidos durante el proceso de plateado son ejemplos.

3. Sesgo y Voltaje

Dado que el voltaje de sesgo es la fuerza que impulsa la reacción, un alto sesgo de voltaje reducirá significativamente las probabilidades de formación CAF. Voltajes más altos disminuyen el rendimiento CAF también.

4. Defectos Preexistentes

Defectos preexistentes como fracturas, vacíos, "wicking" (absorción capilar), contaminación y desregistro también pueden crear caminos para filamentos problemáticos. Debe tener cuidado al taladrar agujeros para no dañar la placa. Tal daño puede crear estos caminos causando grietas, wicking y otros defectos. Velocidad de taladro, tasa de avance y otros factores influyen en la probabilidad de estos problemas. Defectos parciales como puentes incompletos entre características también pueden contribuir.

Altas temperaturas como las de temperatura ambiental, ciclos térmicos repetitivos y reflujo con temperatura pico alta crean más estrés en la placa y aumentan probabilidad de daño y formación CAF.

5. Materiales

Otro factor influyente en falla CAF es los materiales usados para hacer la placa. Usar materiales resistentes al CAF, como hace Millennium Circuits Limited, es una de las formas más efectivas de prevenir formación y falla CAF.

En materiales laminados, varios estudios en los últimos 30 años han medido la susceptibilidad al CAF de diversos laminados. La investigación sugiere que bismaleimida triazina (BT) es el laminado más resistente al CAF, mientras que MC-2 es el más susceptible. Laminados con alta resistencia térmica tienden a resistir mejor la formación CAF.

Es importante notar que incluso laminados idénticamente especificados de diferentes proveedores pueden diferir en resistencia al CAF. En general, la susceptibilidad de varios laminados de menor a mayor es:

• MC-2
• Epóxico/Kevlar
• FR-4 y PI (aproximadamente iguales)
• CE
• BT

Los fabricantes PCB frecuentemente usan acabados de vidrio y sistemas de resina para aumentar resistencia de aislamiento y prevenir formación CAF. Ambos materiales se consideran útiles. Sin embargo, pruebas han mostrado que los sistemas de resina tienen impacto más significativo que recubrimientos de vidrio. Usar ambos juntos puede ser una solución ideal.

Investigaciones adicionales revelaron que resina curada con DICY puede ser menos propensa a promover crecimiento CAF que resina curada con fenólico. Fibras terminadas (finished fibers) son menos propensas que fibras limpiadas por calor (heat-cleaned) y fibras de telar (loom-state) a formar CAF, con fibras de telar teniendo la mayor susceptibilidad al crecimiento CAF. La limpieza, distribución y resistencia a hidrólisis de las fibras —que ayuda a preservar enlaces vidrio-resina— influyen en la efectividad de telas de vidrio o recubrimientos de silano. Resinas con baja absorción de humedad, componentes de resina pura mejorados y estabilidad química reforzada —incluyendo resistencia a hidrólisis— tienen mejor rendimiento frente a CAF.

Otros factores relacionados con materiales incluyen tipo de acabado (HASL, ENIG, plata por inmersión, estaño por inmersión) y tipo de máscara de soldadura.

6. Diseño

El diseño y fabricación de un PCB también juega papel crucial en determinar su resistencia al CAF.

Placas con menor distancia entre características con sesgo de voltaje fallan más rápido que las con mayores distancias, aunque se cree que esto solo impacta la segunda etapa del proceso de formación CAF.

Además de espaciado agujero-a-agujero y línea-a-línea, el tamaño de agujeros taladrados y el espesor de cobre en agujeros pasantes plateados impactan la resistencia CAF. Tener más características con sesgo también aumenta oportunidades para que CAF se forme. Las vías anódicas fallan más rápido que las cátodicas. Su dirección de urdimbre y trama también juega papel. Vías escalonadas a 45° tienen mayor resistencia al CAF. Si vacíos de relleno, paradas de vidrio, wicking u otros problemas están presentes tras fabricación, pueden actuar como caminos preexistentes para crecimiento CAF.

Otros procesos que pueden aumentar probabilidad de formación CAF incluyen procesos de reflujo y desmear (desmear).

Muchos aspectos diferentes de un PCB, incluyendo diseño y fabricación, impactan su resistencia a formación CAF. Estos factores incluyen:

• Materiales usados, incluyendo laminados, sistemas de resina y recubrimientos de vidrio.
• Factores de diseño como distancia agujero-a-agujero y layout.
• Procesos como soldadura y reflujo.
• Niveles de voltaje.
• Voltaje de sesgo.
• Defectos preexistentes y otros problemas de calidad de fabricación.

Dado que tantos factores influyen en el rendimiento CAF, debe considerar CAF durante cada etapa del proceso de producción PCB. Optimizar su placa para resistencia CAF resultará en un producto final más confiable.

Identificando CAF

Identificar CAF una vez que ocurre es desafiante, dificultando su inspección y estudio. CAF a menudo ocurre en capas enterradas dentro de PCB. También puede aparecer junto a otros factores de falla contribuyentes, dificultando darse cuenta cuándo CAF es el único modo de falla responsable.

Sin embargo, puede usar varios métodos avanzados de prueba para verificar y caracterizar formación y falla CAF. Estos incluyen métodos eléctricos estándar IPC conocidos como pruebas de Resistencia de Aislamiento Superficial (SIR), que incluyen:

• Prueba de Migración Electroquímica IPC: Prueba estándar IPC para medir resistencia al flujo de corriente a través de la superficie de un sustrato PCB.
• Prueba Temperatura-Humedad-Sesgo (T-H-B): Prueba SIR que considera temperatura de procesamiento, humedad relativa y de envejecimiento, y sesgo de voltaje.

También puede usar varios métodos para obtener imágenes de formación CAF en un PCB. Estas técnicas incluyen:

• Microscopía Electrónica de Barrido (SEM): Usa un cañón de haz de electrones primario que envía electrones hacia el ánodo cargado positivamente en vacío a través de lentes electromagnéticos. Puede operarse en modo electrón secundario (SE) —ideal para imagen de topografía superficial— o modo electrón retrodispersado (BSE), que permite contraste de número atómico.
• Espectroscopía Dispersiva de Energía (EDS): Este haz de electrones incidente puede usarse para identificar elementos como cobre, cloro y bromo.
• Haz de Iones Enfocado (FIB): Con esta técnica, puede ampliar una superficie a alta resolución y luego hacer una sección transversal delgada para obtener imagen 3-D.
• Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM): Este sistema, similar a microscopio óptico, puede identificar fases de material y determinar estructura cristalográfica.
• Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS): A veces llamada espectroscopía electrónica para análisis químico (ESCA), es una técnica de análisis superficial que puede identificar compuestos químicos.
• Espectroscopía Infrarroja de Transformada de Fourier (FTIR): Analiza constituyentes orgánicos y crea espectro de lecturas de intensidad y longitud de onda.
• Cromatografía Iónica: Este proceso, que puede ser de intercambio aniónico o catiónico, separa iones y moléculas polares.

Prueba de Resistencia al Filamento Anódico Conductivo

Realizar una prueba de resistencia CAF de una placa ayuda a asegurar su calidad y fiabilidad general. IPC, la asociación comercial para industrias de placas de circuito y ensamblaje electrónico, tiene un procedimiento de prueba estándar para resistencia CAF titulado IPC-TM-650 Método 2.6.25A. El uso de un método de prueba estandarizado permite calificaciones de resistencia CAF fácilmente comprensibles y comparables.

Para esta prueba, puede usar diseños de cupones estándar IPC como IPC-9253 e IPC-9254, que tienen 10 capas y dimensiones ~125×175 mm, así como IPC-9255 e IPC-9256. Algunos fabricantes de equipos originales también usan sus propios diseños de cupones. Al probar un laminado para rendimiento CAF, debe usar varios diseños con variedad de espaciados de características, layouts y tamaños de agujeros.

El método de prueba IPC recomienda usar al menos 25 placas de prueba por lote de muestra por nivel de sesgo, lo que proporciona 4,200 puntos potenciales de falla CAF en línea, agujero-a-agujero, y 7,800 sitios potenciales de falla CAF diagonal agujero-a-agujero por cada muestra y conjunto de condiciones.

El método IPC implica probar estas placas bajo altas temperaturas de ~65 u 85 °C (149–185 °F) y alta humedad de 87% humedad relativa (HR). Tras aplicar 100 voltios CC para obtener mediciones iniciales de resistencia de aislamiento, las muestras pasan 96 horas de acondicionamiento de temperatura y humedad, seguido de otra ronda de mediciones de resistencia de aislamiento.

Luego, las muestras pasan mínimo 500 horas de prueba con sesgo de voltaje aplicado continuamente. Tome mediciones de alta resistencia cada 24 a 100 horas durante este tiempo. Tras 500 horas, tome otro conjunto de mediciones de resistencia de aislamiento.

Después de la prueba, revise los datos por caídas significativas o cortocircuitos de alta resistencia. Si la placa falla y sospecha falla CAF, puede realizar análisis de falla usando métodos de prueba como los listados arriba para confirmar la causa.

La prueba dará una tasa de falla porcentual a 500 horas para cada espaciado. Puede describir resultados en términos de resistencia CAF o calidad CAF. La resistencia CAF se enfoca en determinar si un sistema de materiales es susceptible a formación CAF y no enfatiza defectos. La calidad CAF es el modelo de tasa de falla de un material y puede incluir fallas basadas en defectos.

Materiales PCB Resistentes al CAF de Millennium Circuits Limited

La resistencia al CAF debe ser una preocupación primaria para cualquier proyecto de placa de circuito impreso.

A medida que los PCB se vuelven más pequeños y las características deben colocarse más cerca, el riesgo de formación CAF aumenta. Para placas usadas en ciertas condiciones y aplicaciones donde la fiabilidad es crítica, el rendimiento CAF es especialmente vital.

Por eso todos los materiales que Millennium Circuits Limited proporciona son resistentes al CAF. Ofrecemos variedad de materiales, circuitos flex y rigid-flex y acabados superficiales, así como placas de alta potencia y térmicas. También proveemos servicios de ingeniería, incluyendo creación de paneles, verificación de reglas de diseño y modelado de impedancia controlada. Manejamos pedidos de cualquier tamaño, desde prototipado hasta altos volúmenes con respuesta rápida.

Para productos de alta calidad, excelente servicio al cliente, entrega confiable a tiempo y precios competitivos, confíe en Millennium Circuits Limited para todas sus necesidades PCB. Explore nuestro sitio web para conocer más sobre nuestras capacidades. También puede contactarnos con cualquier pregunta y solicitar una cotización rápida completando este formulario en línea.

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