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最近碰到一個(gè)PCB漏電的問題，起因是一款低功耗產(chǎn)品，本來整機(jī)uA級(jí)別的電流，常溫老化使用了一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)其功耗上升，個(gè)別樣機(jī)功耗甚至達(dá)到了mA級(jí)別。仔細(xì)排除了元器件問題，最終發(fā)現(xiàn)了一個(gè)5V電壓點(diǎn)，在產(chǎn)品休眠的狀態(tài)下本該為0V，然而其竟然有1.8V左右的壓降！耐心地切割PCB線路，驚訝地發(fā)現(xiàn)PCB上的兩個(gè)毫無電氣連接的過孔竟然可以測試到相互間幾百歐姆的阻值。查看該設(shè)計(jì)原稿，兩層板，過孔間距焊盤間距>6mil，孔壁間距>18mil，這樣的設(shè)計(jì)在PCB行業(yè)中實(shí)屬普通的鉆孔工藝。洗去油墨，排除油墨或孔表層的雜質(zhì)導(dǎo)電問題，實(shí)測過孔間阻值依然存在！百思不得其解一段時(shí)間后，才發(fā)現(xiàn)原來是“CAF效應(yīng)”導(dǎo)致的漏電問題！

 

 

什么是CAF效應(yīng)：

 

CAF，全稱為導(dǎo)電性陽極絲(CAF：Conductive Anodic Filamentation)， 指的是PCB內(nèi)部銅離子從陽極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過程中發(fā)生的銅與銅鹽的漏電行為。

 

如下圖片，對兩個(gè)相鄰的兩個(gè)過孔進(jìn)行縱向研磨，置于電子顯微鏡下放大100倍，板材呈黯淡顏色，亮金色部分則為銅，可以看到在兩個(gè)過孔間，有銅點(diǎn)、銅絲存在。

 

 

CAF產(chǎn)生的機(jī)理：

 

1. 常規(guī)的FR4 PCB板材是由玻璃絲編織成玻璃布，然后涂環(huán)氧樹脂半固化后制成。樹脂與玻纖之間的附著力不足或含浸時(shí)膠性不良，兩者之間容易出現(xiàn)間隙，加之在鉆孔等機(jī)械加工過程中，由于切向拉力及縱向沖擊力的作用對樹脂粘合力的進(jìn)一步破壞，可能造成玻纖束被拉松或分離而出現(xiàn)間隙。在高溫高濕的環(huán)境下，環(huán)氧樹脂與玻纖之間的附著力更加出現(xiàn)劣化，并促成玻纖表面硅烷偶聯(lián)劑化學(xué)水解，沿著玻纖增強(qiáng)材料形成可供電子遷移的通路；

 

 

2. 基于上面的條件，此時(shí)距離較近的兩個(gè)過孔若存在電勢差，那么電勢較高的陽極上的銅會(huì)被氧化成為銅離子，銅離子在電場的作用下向電勢較低的陰極遷移，在遷移過程中，與板材的雜質(zhì)離子或OH-結(jié)合，生成了不溶于水的導(dǎo)電鹽，并沉積下來，由此兩個(gè)絕緣孔之間的電氣間距急劇下降，嚴(yán)重的甚至可以直接導(dǎo)通形成短路。

 

陽極：

Cu → Cu2++2e–

H2O → H++OH-

 

陰極：

2H++2e– → H2

Cu2++2OH– → Cu(OH)2

Cu(OH)2 → CuO+H2O

CuO+H2O → Cu(OH)2 → Cu2++2OH–

Cu2++2e– → Cu

 

在還沒有意識(shí)到CAF效應(yīng)導(dǎo)致的不良之前，我對于相互絕緣的兩個(gè)過孔間出現(xiàn)阻值的現(xiàn)象感到不可思議，后來經(jīng)過資料查詢，才發(fā)現(xiàn)許多同行也為這個(gè)問題困擾過，甚至CAF效應(yīng)已經(jīng)是PCB業(yè)內(nèi)一個(gè)較為熱門的可靠性問題之一！

 

如何防止或減少CAF的發(fā)生？

 

1. 提高板材在抗CAF方面的能力。對于電路板基材工藝，可以從提高材料中離子純度、使用低吸濕性樹脂、玻璃布被樹脂充分浸泡結(jié)合良好等方面進(jìn)行提高。對于應(yīng)用端的工程師，在板材選型時(shí)，可以考慮使用耐CAF板材。如下板材供應(yīng)商生益的板材選型中，就有耐CAF的板材可供選型。

 

 

2. PCB的機(jī)械鉆孔或鐳射燒孔會(huì)產(chǎn)生高溫，超過板材的Tg點(diǎn)時(shí)會(huì)融溶并形成殘?jiān)@些殘?jiān)街诳妆跁?huì)造成鍍銅時(shí)接觸不良，因此在鍍銅前必須進(jìn)行除渣作業(yè)，除渣作業(yè)中的浸泡處理會(huì)對通孔造成一定的侵蝕并可能帶來滲銅問題，使后續(xù)的銅遷移現(xiàn)象更加容易；

 

3. PCB設(shè)計(jì)時(shí)，增加通孔間距，另外，由于CAF通道幾乎沿著同一玻璃纖維束產(chǎn)生，因此，將相鄰的通孔交叉發(fā)布有助于降低CAF的發(fā)生；

 

 

 

4. 對PCBA進(jìn)行表面清潔處理，例如使用高壓氣槍進(jìn)行灰塵清理，避免雜質(zhì)殘留導(dǎo)致不必要的雜質(zhì)發(fā)生電解。另外，在PCBA表面涂覆三防漆，避免水汽的侵入，特別是在高溫高濕的地理環(huán)境。

 

 

對于這個(gè)CAF問題導(dǎo)致的漏電問題，從一開始的困擾到后面的豁然開朗，這其中有兩點(diǎn)讓我有了更深的體會(huì)：

 

1. 對于一個(gè)bug現(xiàn)象的存在，當(dāng)自己感到不可思議時(shí)，也請保持一種客觀的態(tài)度面對，因?yàn)楫?dāng)前現(xiàn)象與已有認(rèn)知的相去甚遠(yuǎn)，很可能只是你的知識(shí)體系里有盲區(qū)而已。碰到CAF現(xiàn)象時(shí)，我向PCB產(chǎn)商拋出“相互絕緣的過孔間為什么會(huì)有阻值存在”的問題，產(chǎn)商也覺得不可思議，但對方基于“自己做了幾十年的板子也沒有客戶反應(yīng)過這個(gè)問題”的經(jīng)驗(yàn)性思維，始終沒能客觀地面對這個(gè)問題的存在，在這個(gè)前提下，即使有再好的配合力度，所謂的驗(yàn)證也就只能停留在了自證自己材料、制程屬于行業(yè)規(guī)范的層面上，但CAF對于目前PCB行業(yè)來說本來就是一個(gè)無法100%規(guī)避的問題。由此迫使我找第三方的廠家進(jìn)行剖片分析，顯而易見地看到孔間的銅后，該問題才有了不容反駁的定論；

 

2. 應(yīng)用端的電子工程師，對電子器件的認(rèn)知，除了能用、會(huì)用的能力之外，還要對其基礎(chǔ)材料有所認(rèn)知。如同每天都在和電容、電阻、電感等器件打交道，但對于這些器件的制作工藝、基礎(chǔ)材料組成卻是有很多人都不自知的，而這正是這些器件電氣特性的根本所在。

 

本文參考文獻(xiàn)傳送門：

http://www.anytesting.com/news/543325.html

《PCB漏電流失效案例分析》

http://www.edadoc.com/cn/TechnICalArticle/Show.aspx?id=1239

《談?wù)勩@孔間距對產(chǎn)品可靠性的影響》

https://mp.ofweek.com/ee/a345673623826

《印制電路板CAF失效研究》

http://www.researchmfg.com/2014/12/caf/

《電路板內(nèi)微短路現(xiàn)象》

https://www.researchmfg.com/2015/08/caf-cause-solution/

《CAF形成的原因及改善對策》

http://www.researchmfg.com/2016/06/3d-x-ray-ct/

《3D X-Ray CT非破壞性立體掃描分析PCBA不良》