Guía de problemas de PCB CAF

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• ¿Qué es la formación de filamentos anódicos conductores?
• Perspectiva histórica de CAF
• Cómo evitar fallas de CAF
• Identificación de CAF
• Prueba de resistencia de filamento anódico conductivo
• Materiales de PCB resistentes a CAF de Millenium Circuits Limited

La falla del filamento anódico conductor (CAF) es una preocupación común y creciente en la industria electrónica. Tiene el potencial de ser un modo de falla catastrófico, donde se puede formar una sal conductora que contiene cobre dentro de las placas de circuito impreso (PCB). Es un tipo de migración electroquímica que crece a lo largo de la interfaz de epoxi o vidrio desde el ánodo hasta la subsuperficie del cátodo. La migración electroquímica es un proceso en el que los filamentos de metal conductor crecen a través de un material dieléctrico.

¿Qué es la formación de filamentos anódicos conductores?

La formación de CAF es el término para el proceso por el cual CAF crece. La formación de CAF se describe como un proceso de dos pasos:

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

La falla de CAF se refiere a la falla eléctrica que resulta de la formación de CAF. La falla ocurre cuando el CAF crece desde el ánodo hasta el cátodo.

Para que CAF se forme, necesitas varias cosas presentes:

• Portadores de carga eléctrica, que permiten la formación de una celda electroquímica.
• Agua, que se produce debido a la humedad y la acumulación de humedad y disuelve el material iónico, manteniéndolo en su estado iónico móvil.
• Un ambiente ácido cerca de los conductores para permitir la corrosión en el ánodo.
• Un sesgo de voltaje, que es la fuerza que impulsa la reacción.
• Un camino que toman los iones a medida que se mueven del ánodo al cátodo.

Se cree que muchos otros factores aceleran el proceso de formación, incluidas las altas temperaturas, la alta humedad, los ciclos térmicos repetidos, el alto gradiente de voltaje entre el ánodo y el cátodo, algunos ingredientes del fundente de soldadura y más. Otros problemas, como las fallas de los componentes y el exceso de las temperaturas máximas de funcionamiento, también pueden contribuir a una falla relacionada con CAF.

Perspectiva Histórica de CAF

CAF fue identificado por primera vez en 1976 por investigadores de Bell Lab. Los primeros estudios involucraron pruebas de diferentes recubrimientos de resinas curadas con UV utilizando circuitos impresos flexibles de línea fina FR-4. También se estudiaron otras variables de prevención de fallas, incluida la cantidad de capas de refuerzo de vidrio, la capa de recubrimiento y el espesor de la capa de recubrimiento de epoxi. Los investigadores descubrieron que podían modelar el tiempo hasta la falla en un gráfico logarítmico normal e identificaron la temperatura, la humedad y el sesgo como factores que aceleran el proceso. También describieron cuatro fallas relacionadas con el sustrato.

En 1979, los investigadores utilizaron por primera vez el término CAF para referirse a estas fallas. El documento que lo utilizó por primera vez se centró en cómo los materiales y la orientación del conductor 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 el día de hoy, con investigadores que prueban cómo la humedad, la temperatura, el sesgo, los materiales, la orientación del conductor y otros factores influyen en su formación.

La mayor parte de esta investigación se ha centrado en los laminados tradicionales, como FR-4, G-10, BT y MC-2. Sin embargo, más recientemente, algunos han aplicado materiales más nuevos, a saber, laminados libres de halógenos o resistentes a CAF, que generalmente tienen propiedades térmicas mejoradas.

En los últimos años, aprender a prevenir fallas de CAF se ha convertido en una preocupación más apremiante, ya que los fabricantes producen PCB más pequeñas con una mayor densidad de circuitos. Las placas ahora también tienen un mayor uso en entornos y condiciones hostiles donde la confiabilidad es fundamental. Además, el uso de soldadura sin plomo y el aumento en la elección de materiales han reforzado 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 de CAF

Hay muchas medidas diferentes que puede tomar para minimizar el riesgo de falla de CAF. La investigación sobre las formas de evitar este problema está en curso, pero evitar las condiciones que permiten la formación de CAF ayudará a prevenirlo. Estos son algunos de los factores a considerar:

1. Humedad y Humedad

Debido a que requiere un electrolito, un mayor contenido de agua aumenta la posibilidad de falla CAF. El aumento de la humedad conduce a un mayor contenido de humedad, lo que disminuye el rendimiento de CAF.

1. Procesos que conducen a la contaminación ácida

Los procesos utilizados durante la fabricación pueden introducir contaminaciones ácidas, lo que aumenta la probabilidad de formación de CAF. El uso de algunos fundentes de soldadura y la introducción de residuos ácidos durante el proceso de recubrimiento son ejemplos de esto.

1. Sesgo y voltaje

Dado que el voltaje de polarización es la fuerza que impulsa la reacción, una polarización de alto voltaje reducirá significativamente las posibilidades de formación de CAF. Los voltajes más altos también reducen el rendimiento de CAF.

1. Defectos preexistentes

Los defectos preexistentes, como fracturas, huecos, mechas, contaminación y registros erróneos, también pueden crear vías para filamentos problemáticos. Debe tener cuidado al perforar agujeros para no dañar el tablero. Tal daño puede crear estas vías al causar grietas, mechas y otros defectos. La velocidad de perforación, la velocidad de avance y otros factores influyen en la probabilidad de que ocurran estos problemas. Los defectos parciales, como puentes incompletos entre funciones, también pueden contribuir.

Las altas temperaturas, como las de la temperatura ambiental, los ciclos térmicos repetitivos y el reflujo con una temperatura máxima alta, generan más tensión en la tabla y aumentan la probabilidad de daño, así como la formación de CAF.

1. Materiales

Otro factor influyente en la falla de CAF son los materiales utilizados para hacer el tablero. El uso de materiales resistentes a CAF, como lo hace Millennium Circuits Limited, es una de las formas más efectivas de prevenir la formación y falla de CAF.

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

Sin embargo, es importante tener en cuenta que incluso los materiales laminados con especificaciones idénticas de diferentes proveedores pueden diferir en la resistencia al CAF. En general, sin embargo, la susceptibilidad de varios laminados de menos a más susceptibles es la siguiente:

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

Los fabricantes de PCB utilizan con frecuencia acabados de vidrio y sistemas de resina para aumentar la resistencia del aislamiento y evitar la formación de CAF. Ambos materiales se consideran útiles para este propósito. Sin embargo, las pruebas de las dos sustancias han demostrado que los sistemas de resina tienen un impacto más significativo que los revestimientos de vidrio. Usar los dos juntos puede ser una solución ideal.

Investigaciones posteriores han revelado que es menos probable que la resina curada con DICY promueva el crecimiento de CAF que la resina curada con fenólico. Las fibras terminadas tienen menos probabilidades de formar CAF que las fibras limpiadas con calor y en estado de telar, y las fibras en estado de telar tienen la mayor susceptibilidad al crecimiento de CAF. La limpieza de la fibra, la distribución y la resistencia a la hidrólisis, que ayuda a preservar los enlaces entre la resina y el vidrio, influyen en la eficacia de los revestimientos de fibra de vidrio o silano. Las resinas con baja absorción de humedad, componentes de resina pura mejorados y estabilidad química reforzada, incluida la resistencia a la hidrólisis, tienen un mejor rendimiento de CAF.

Otros factores relacionados con el material incluyen el tipo de acabado, como HASL, ENIG, plata de inmersión o estaño de inmersión, y el tipo de máscara de soldadura.

1. Diseño

El diseño y la fabricación de una placa de circuito impreso también juega un papel crucial en la determinación de su resistencia CAF.

Las placas que tienen una brecha más pequeña entre las características polarizadas por voltaje fallan más rápido que aquellas con brechas más grandes, aunque se cree que esto solo afecta el segundo paso del proceso de formación de CAF.

Además del espaciado de orificio a orificio y de línea a línea, el tamaño de los orificios perforados y el grosor del cobre en los orificios pasantes enchapados afectan la resistencia CAF. Tener características más sesgadas también aumenta la cantidad de oportunidades que CAF tiene para formar. Las vías anódicas también fallan más rápido que las vías catódicas. Su dirección de urdimbre y trama también juega un papel. Las vías escalonadas en ángulos de 45 grados tienen mayor resistencia a CAF. Si se presentan vacíos de relleno, topes de vidrio, mecha u otros problemas después de la fabricación, pueden actuar como vías preexistentes para el crecimiento de CAF.

Otros procesos que pueden aumentar la probabilidad de formación de CAF incluyen los procesos de reflujo y desmear.

Muchos aspectos diferentes de una PCB, incluidos aspectos de su diseño y fabricación, afectan su resistencia a la formación de CAF. Estos factores incluyen:

• Los materiales utilizados, incluidos los laminados, los sistemas de resignificación y los revestimientos de vidrio.
• Factores de diseño como la distancia y el diseño de orificio a orificio.
• Procesos como soldadura y reflujo.
• Niveles de voltaje.
• Tensión de polarización.
• Defectos preexistentes y otros problemas de calidad de fabricación.

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

Identificando CAF

Identificar CAF una vez que ocurre es un desafío, lo que dificulta su inspección y estudio. CAF a menudo ocurre en capas enterradas dentro de PCB. También puede aparecer junto con otros factores de falla que contribuyen, lo que dificulta darse cuenta de cuándo CAF es un modo de falla de responsabilidad exclusiva.

Sin embargo, puede usar varios métodos de prueba avanzados para verificar y caracterizar la formación y falla de CAF. Estas pruebas incluyen métodos eléctricos estándar IPC conocidos como pruebas de resistencia de aislamiento superficial (SIR), que incluyen:

• Pruebas de migración electroquímica de IPC: Una prueba estándar de IPC para medir la resistencia al flujo de corriente a través de la superficie de un sustrato de PCB.
• Pruebas de temperatura-humedad-sesgo (T-H-B): Una prueba SIR que tiene en cuenta la temperatura de procesamiento, la humedad relativa y de envejecimiento y el sesgo de voltaje.

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

• Microscopía electrónica de barrido (SEM): Este método implica el uso de un cañón de haz de electrones primario que envía electrones hacia el ánodo con carga positiva en el vacío a través de lentes electromagnéticos. Puede operar este dispositivo en modo de electrones secundarios (SE), que es ideal para imágenes de topografía de superficie, o en modo de electrones retrodispersados ​​(BSE), que permite el contraste de números atómicos.
• Espectroscopia de Dispersión de Energía (EDS): Este haz de electrones incidente se puede utilizar para identificar elementos como el cobre, el cloro y el 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 una imagen en 3D.
• Microscopía electrónica de transmisión (TEM): Este sistema, que funciona de manera similar a un microscopio óptico, puede identificar las fases del material y determinar la estructura cristalográfica.
• Espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS): A veces denominado espectroscopia electrónica para análisis químico (ESCA), este método es una técnica de análisis de superficie que puede identificar compuestos químicos.
• Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR): Esta técnica analiza los constituyentes orgánicos y crea un espectro de lecturas de intensidad y longitud de onda.
• Cromatografía iónica: Este proceso, que puede ser cromatografía de intercambio de aniones o de cationes, separa iones y moléculas polares.

Prueba de resistencia de filamento anódico conductivo

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

Para esta prueba, puede usar diseños de cupones estándar de IPC como IPC-9253 e IPC-9254, que tienen 10 capas y dimensiones de aproximadamente 125 × 175 milímetros, así como IPC-9255 e IPC 9256. Algunos fabricantes de equipos originales también utilizar sus propios diseños de cupones. Al probar un laminado para el rendimiento CAF, debe usar varios diseños que tengan una variedad de espacios, diseños y tamaños de orificios.

El método de prueba IPC recomienda usar al menos 25 placas de prueba por lote de muestra por nivel de sesgo, lo que proporciona 4200 puntos potenciales de falla CAF en línea, de orificio a orificio y 7800 sitios potenciales de falla CAF diagonal de orificio a orificio para cada muestra y conjunto de condiciones.

El método de prueba de IPC implica probar estas placas bajo altas temperaturas de alrededor de 65 u 85 grados Celsius (149 a 185 grados Fahrenheit) y condiciones de alta humedad del 87 por ciento de humedad relativa (RH). Después de aplicar 100 voltios de corriente continua para obtener mediciones iniciales de resistencia de aislamiento, las muestras se someten a 96 horas de acondicionamiento de temperatura y humedad, seguido de otra ronda de mediciones de resistencia de aislamiento.

Luego, las muestras se someten a un mínimo de 500 horas de prueba con un voltaje de polarización aplicado continuamente. Tome medidas de alta resistencia cada 24 a 100 horas durante este tiempo. Después de 500 horas, realice otra serie de mediciones de resistencia de aislamiento.

Después de la prueba, revisa los datos en busca de caídas significativas o cortocircuitos de alta resistencia. Si la placa falla y sospecha que se trata de una falla de CAF, puede realizar un análisis de falla utilizando métodos de prueba como los enumerados anteriormente para confirmar la causa.

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

Materiales de PCB resistentes a CAF de Millennium Circuits Limited

La resistencia a CAF debe ser una preocupación principal para cualquier proyecto de placa de circuito impreso.

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

Es por eso que todos los materiales que proporciona Millennium Circuits Limited son resistentes a CAF. Ofrecemos una gama de variedades de materiales, circuitos flexibles y rígido-flexibles y acabados superficiales, así como tableros térmicos y de alta potencia. También brindamos servicios de ingeniería, incluida la creación de paneles, verificación de reglas de diseño y modelado de impedancia controlada. Manejamos pedidos de cualquier tamaño, desde prototipos hasta pedidos de gran volumen con una respuesta rápida.

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