PCBCAF問題のガイド

ジャンプ先：

• 導電性陽極フィラメント形成とは
• CAFの歴史的展望
• CAFの失敗を回避する方法
• CAFの特定
• 導電性陽極フィラメント-抵抗テスト
• MilleniumCircuitsLimitedのCAF耐性PCB材料

導電性陽極フィラメント（CAF）の故障は、エレクトロニクス業界で一般的かつ増大する懸念事項です。銅を含む導電性の塩がプリント回路基板（PCB）内に形成される可能性がある、壊滅的な故障モードになる可能性があります。これは、エポキシまたはガラスの界面に沿ってアノードからカソードの表面下まで成長する一種の電気化学的移動です。電気化学的移動は、導電性金属フィラメントが誘電体材料全体に成長するプロセスです。

導電性陽極フィラメント形成とは何ですか？

CAF形成は、CAFが成長するプロセスの用語です。 CAFの形成は、2段階のプロセスとして説明されています。

1. まず、樹脂ガラスの界面が劣化します。これは可逆的であると考えられています。
2. 第2段階である電気化学的移行は、元に戻すことはできません。

CAF障害とは、CAFの形成に起因する電気的障害を指します。故障は、CAFがアノードからカソードに成長するときに発生します。

CAFを形成するには、いくつかのものが存在する必要があります。

• 電気化学セルの形成を可能にする電荷キャリア。
• 湿気や湿気の蓄積によって発生し、イオン性物質を溶解して、可動性のイオン状態に維持する水。
• アノードでの腐食を可能にする導体の近くの酸性環境。
• 反応を駆動する力である電圧バイアス。
• イオンがアノードからカソードに移動するときに通過する経路。

高温、高湿度、繰り返される熱サイクル、アノードとカソード間の高電圧勾配、一部のはんだ付けフラックス成分など、他の多くの要因が形成プロセスを加速すると考えられています。コンポーネントの障害や最高動作温度の超過などの他の問題も、CAF関連の障害の原因となる可能性があります。

CAFの歴史的展望

CAFは、1976年にベル研究所の研究者によって最初に特定されました。最初の研究では、FR-4細線フレキシブルプリント回路を使用したUV硬化樹脂のさまざまなコーティングのテストが行​​われました。ガラス補強層の数、カバーコート、エポキシバターコート層の厚さなど、さらなる故障防止変数も研究されました。研究者は、対数正規プロットで故障までの時間をモデル化できることを発見し、プロセスをスピードアップした要因として温度、湿度、バイアスを特定しました。また、4つの基板関連の障害についても説明しました。

1979年に、研究者は最初にこれらの失敗を指すためにCAFという用語を使用しました。それを最初に使用した論文は、CAF形成に関連する材料と導体の向きに焦点を当てていました。その同じ年には、2ステージモデルの導入も見られました。 CAFの調査は今日まで続けられており、研究者は湿度、温度、バイアス、材料、導体の向き、およびその他の要因がCAFの形成にどのように影響するかをテストしています。

この研究のほとんどは、FR-4、G-10、BT、MC-2などの従来のラミネートに焦点を当てています。ただし、最近では、新しい材料、つまりCAF耐性またはハロゲンフリーのラミネートを適用したものもあり、これらは通常、熱特性が向上しています。

近年、メーカーがより高い回路密度でより小さなPCBを製造するにつれて、CAFの故障を防ぐ方法を学ぶことがより差し迫った関心事になっています。ボードは、信頼性が重要となる過酷な環境や条件での使用も増えています。さらに、鉛フリーはんだ付けの使用と材料の選択肢の増加により、このトピックへの関心が高まっています。

現在、1976年以前よりもCAFについて多くのことを知っていますが、研究は続けられています。テクノロジーが進歩するにつれて、CAFが発生する理由、CAFを特定する方法、およびCAFを防止する方法について詳しく学びます。

CAFの失敗を回避する方法

CAF障害のリスクを最小限に抑えるために実行できるさまざまな対策があります。この問題を回避する方法の研究は進行中ですが、CAF形成を可能にする条件を回避することはそれを防ぐのに役立ちます。考慮すべき要素のいくつかを次に示します。

1. 湿気と湿度

電解質が必要なため、水分含有量が多いとCAFが故障する可能性が高くなります。湿度が高くなると水分含有量が高くなり、CAFのパフォーマンスが低下します。

2. 酸汚染につながるプロセス

製造中に使用されるプロセスは、酸汚染を引き起こす可能性があり、CAF形成の可能性を高めます。いくつかのはんだ付けフラックスの使用とめっきプロセス中の酸残留物の導入は、この例です。

3. バイアスと電圧

バイアス電圧は反応を駆動する力であるため、高電圧バイアスはCAF形成の可能性を大幅に低下させます。電圧が高くなると、CAFのパフォーマンスも低下します。

4. 既存の欠陥

破砕、ボイド、ウィッキング、汚染、位置ずれなどの既存の欠陥も、問題のあるフィラメントの経路を作成する可能性があります。ボードに損傷を与えないように、穴を開けるときは注意が必要です。このような損傷は、亀裂、ウィッキング、その他の欠陥を引き起こすことにより、これらの経路を作成する可能性があります。ドリル速度、送り速度、およびその他の要因が、これらの問題が発生する可能性に影響を与えます。機能間の不完全なブリッジングなどの部分的な欠陥も原因となる可能性があります。

環境温度、繰り返しの熱サイクル、高いピーク温度でのリフローなどの高温は、ボードにさらにストレスを与え、損傷の可能性とCAFの形成を増加させます。

5. 資料

もう1つの影響力のあるCAF障害要因は、ボードの製造に使用される材料です。 Millennium Circuits Limitedが行っているように、CAF耐性のある材料を使用することは、CAFの形成と故障を防ぐための最も効果的な方法の1つです。

ラミネート材料に関しては、過去30年間のさまざまな研究により、さまざまなラミネートのCAFに対する感受性が測定されています。研究は、ビスマレイミドトリアジン（BT）がCAFに対して最も耐性のあるラミネートであり、MC-2が最も感受性が高いことを示唆しています。耐熱性の高いラミネートは、CAFの形成に抵抗する傾向があります。

ただし、異なるサプライヤからの同じように指定されたラミネート材料でも、CAF耐性が異なる可能性があることに注意することが重要です。ただし、一般的に、さまざまなラミネートの感受性は、最も感受性の低いものから最も感受性の高いものまで、次のとおりです。

• MC-2
• エポキシ/ケブラー
• FR-4とPI（ほぼ等しい）
• CE
• BT

PCBメーカーは、絶縁抵抗を高め、CAFの形成を防ぐために、ガラス仕上げと樹脂システムを頻繁に使用しています。これらの資料は両方とも、この目的に役立つと考えられています。ただし、2つの物質のテストでは、樹脂システムがガラスコーティングよりも大きな影響を与えることが示されています。 2つを一緒に使用することは理想的な解決策になる可能性があります。

さらなる研究により、DICY硬化樹脂はフェノール硬化樹脂よりもCAF成長を促進する可能性が低いことが明らかになりました。完成した繊維は、熱洗浄された織機状態の繊維よりも、CAF成長に対して最も感受性が高い織機状態の繊維とCAFを形成する可能性が低い。ガラスと樹脂の結合を維持するのに役立つ繊維の清浄度、分布、および耐加水分解性は、ガラスクロスまたはシランコーティングの効果に影響を与えます。低吸湿性、強化された純粋な樹脂成分、および耐加水分解性を含む強化された化学的安定性を備えた樹脂は、より優れたCAF性能を備えています。

その他の材料関連の要因には、HASL、ENIG、液浸銀または液浸スズなどの仕上げタイプ、およびソルダーマスクタイプが含まれます。

6. デザイン

PCBの設計と製造も、そのCAF抵抗を決定する上で重要な役割を果たします。

電圧バイアス機能間のギャップが小さいボードは、ギャップが大きいボードよりも早く故障しますが、これはCAF形成プロセスの2番目のステップにのみ影響すると考えられています。

穴と穴および線と線の間隔に加えて、ドリル穴のサイズとメッキされた貫通穴の銅の厚さがCAF抵抗に影響を与えます。より偏った機能を持つことで、CAFが形成しなければならない機会の数も増えます。陽極ビアはまた、陰極ビアよりも速く故障します。それらの縦糸と横糸の方向も役割を果たします。 45度の角度でずらされたビアは、CAFに対する耐性が高くなります。製造後に充填ボイド、ガラスストップ、ウィッキング、またはその他の問題が存在する場合、それらはCAF成長の既存の経路として機能する可能性があります。

CAF形成の可能性を高める可能性のある他のプロセスには、リフローおよびデスミアプロセスが含まれます。

PCBの設計と製造の側面を含む、PCBの多くの異なる側面は、CAF形成に対する抵抗に影響を与えます。これらの要因は次のとおりです。

• ラミネート、辞任システム、ガラスコーティングなど、使用されている材料。
• 穴から穴までの距離やレイアウトなどの設計要素。
• はんだ付けやリフローなどのプロセス。
• 電圧レベル。
• バイアス電圧。
• 既存の欠陥やその他の製造品質の問題。

非常に多くの要因がCAFのパフォーマンスに影響を与えるため、PCB製造プロセスのすべての段階でCAFを検討する必要があります。ボードをCAF耐性に合わせて最適化すると、最終製品の信頼性が高まります。

CAFの識別

発生したCAFを特定することは困難であり、検査と調査が困難になります。 CAFは、PCB内に埋め込まれたレイヤーで発生することがよくあります。また、他の原因となる障害要因と一緒に表示される可能性があるため、CAFが単独で責任を負う障害モードである場合はわかりにくくなります。

ただし、さまざまな高度なテスト方法を使用して、CAFの形成と障害をチェックして特性を評価することができます。これらのテストには、表面絶縁抵抗（SIR）テストと呼ばれるIPC標準の電気的方法が含まれます。これには次のものが含まれます。

• IPC電気化学移行テスト： PCB基板の表面を横切る電流の流れに対する抵抗を測定するためのIPC標準テスト。
• 温度-湿度-バイアス（T-H-B）テスト： 処理温度、相対湿度、経年湿度、電圧バイアスを考慮したSIRテスト。

さまざまな方法を使用して、PCB上のCAF形成を画像化することもできます。これらの手法は次のとおりです。

• 走査型電子顕微鏡（SEM）： この方法では、電磁レンズを介して真空中の正に帯電したアノードに向けて電子を送る一次電子ビームガンを使用します。このデバイスは、表面トポグラフィーイメージングに理想的な二次電子（SE）モード、または原子番号のコントラストを可能にする後方散乱電子（BSE）モードのいずれかで操作できます。
• エネルギー分散型分光法（EDS）： この入射電子ビームは、銅、塩素、臭素などの元素を識別するために使用できます。
• 集束イオンビーム（FIB）： この手法を使用すると、表面を高解像度で拡大してから、薄い断面を作成して3D画像を取得できます。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）： このシステムは光学顕微鏡と同様に機能し、材料の相を識別して結晶構造を決定できます。
• X線光電子分光法（XPS）： 化学分析用電子分光法（ESCA）と呼ばれることもあるこの方法は、化合物を特定できる表面分析手法です。
• フーリエ変換赤外分光法（FTIR）： この手法は、有機成分を分析し、強度と波長の読み取り値のスペクトルを作成します。
• イオンクロマトグラフィー： このプロセスは、陰イオンまたは陽イオン交換クロマトグラフィーのいずれかであり、イオンと極性分子を分離します。