PCBにおける導電性アノディックフィラメント（CAF）の理解と防止

目次：

• 導電性アノディックフィラメント形成とは
• CAFの歴史的背景
• CAF故障を防ぐ方法
• CAFの特定
• 導電性アノディックフィラメント耐性試験
• Millennium Circuits LimitedのCAF耐性PCB材料

 

導電性アノディックフィラメント（CAF）故障は、エレクトロニクス業界における一般的かつ増大する懸念事項です。プリント基板（PCB）内に銅を含む導電性塩が形成される可能性がある、壊滅的な故障モードとなる恐れがあります。これは電気化学的移行の一種で、陽極から陰極に向かってエポキシ/ガラス界面に沿って表面下で成長します。電気化学的移行とは、誘電体材料を横切って導電性金属フィラメントが成長するプロセスです。

 

導電性アノディックフィラメント形成とは？

CAF形成とは、CAFが成長するプロセスを指します。CAF形成は2段階のプロセスとして説明されます：

1. まず、樹脂ガラス界面が劣化します。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、不可逆的です。

CAF故障とは、CAF形成の結果として生じる電気的故障を指します。故障は、CAFが陽極から陰極まで成長したときに発生します。

CAFが形成されるには、いくつかの条件が揃っている必要があります：

• 電荷キャリア：電気化学セルの形成を可能にする
• 水：湿度と水分の蓄積により発生し、イオン性物質を溶解させ、移動可能なイオン状態で維持する
• 導体付近の酸性環境：陽極での腐食を可能にする
• 電圧バイアス：反応を駆動する力
• イオンが陽極から陰極へ移動するための経路

高温、高湿度、繰り返しの熱サイクル、陽極と陰極間の高電圧勾配、一部のはんだ付けフラックス成分など、形成プロセスを加速すると考えられる他の多くの要因があります。コンポーネント故障や最大動作温度の超過など、他の問題もCAF関連故障に寄与する可能性があります。

 

CAFの歴史的背景

CAFは1976年、ベル研究所の研究者たちによって初めて特定されました。最初の研究では、FR-4細線フレックスプリント回路を使用した、さまざまなUV硬化樹脂コーティングのテストが行われました。ガラス強化層の数、カバーコート、エポキシバターコート層の厚さなど、故障防止変数もさらに研究されました。研究者たちは、故障までの時間を対数正規プロットでモデル化でき、温度、湿度、バイアスがプロセスを加速する要因であることを特定しました。また、4つの基板関連故障についても記述しました。

1979年、研究者たちがこれらの故障を指してCAFという用語を初めて使用しました。最初にこの用語を用いた論文は、材料と導体配向がCAF形成にどう関わるかに焦点を当てていました。同年、2段階モデルも導入されました。CAFへの調査は今日まで続き、研究者たちは湿度、温度、バイアス、材料、導体配向、その他の要因がCAF形成にどう影響するかをテストしています。

これらの研究の大半は、FR-4、G-10、BT、MC-2などの従来型ラミネートに焦点を当ててきました。より最近では、CAF耐性またはハロゲンフリーラミネートなどの新しい材料を適用した研究も行われており、これらは通常、改善された熱特性を持っています。

近年、メーカーがより小型で高回路密度のPCBを製造するようになったこと、基板が信頼性が重要な過酷な環境や条件でより多く使用されるようになったこと、鉛フリーはんだ付けの採用と材料選択肢の増加により、CAF故障の防止方法を学ぶことがより差し迫った懸念となっています。

1976年以前よりもCAFについてははるかに多くのことが分かっていますが、研究は続いています。テクノロジーの向上に伴い、CAFが発生する理由、特定方法、防止方法についてさらに学んでいます。

 

CAF故障を防ぐ方法

CAF故障のリスクを最小限に抑えるための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で防止に役立ちます。考慮すべき要因をいくつか示します：

 

1. 水分と湿度

電解質を必要とするため、水分含有量が高いほどCAF故障の可能性が高まります。湿度上昇は水分含有量を増やし、CAF性能を低下させます。

2. 酸汚染を招くプロセス

製造工程で酸汚染が導入されることがあり、CAF形成の可能性を高めます。一部のはんだ付けフラックスの使用や、メッキ工程での酸残留物の導入などが例です。

 

3. バイアスと電圧

バイアス電圧が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。高電圧はCAF性能も低下させます。

 

4. 既存の欠陥

クラック、ボイド、ウィッキング、汚染、ミスレジストレーションなどの既存欠陥も、問題のあるフィラメントの経路を作り出す可能性があります。基板を損傷させないよう、穴あけには注意が必要です。このような損傷は、クラック、ウィッキング、その他の欠陥を引き起こし、経路を作り出す可能性があります。ドリル速度、送り速度、その他の要因がこれらの問題の発生しやすさに影響します。フィーチャー間の不完全なブリッジングなどの部分的欠陥も寄与す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、基板により多くのストレスを与え、損傷の可能性とCAF形成の両方を高めます。

5. 材料

基板製造に使用される材料も、CAF故障に影響する重要な要因です。Millennium Circuits Limitedが行っているように、CAF耐性材料を使用することは、CAF形成と故障を防ぐ最も効果的な方法の一つです。

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が、各種ラミネートのCAF感受性を測定してきました。研究によると、ビスマレイミドトリアジン（BT）が最もCAF耐性の高いラミネートであり、MC-2が最も感受性が高いと示唆されています。高耐熱性ラミネートは、CAF形成をよりよく防ぎます。

ただし、異なるサプライヤーからの同一仕様ラミネート材料でも、CAF耐性が異なる場合があることに注意が必要です。一般的に、しかし、各種ラミネートの感受性は、感受性が低い順から高い順で以下のようになります：

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

PCB製造業者は、絶縁抵抗を高めCAF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ます。これら両方の材料は、この目的で有用とされています。しかし、これら2物質のテストでは、ガラスコーティングよりも樹脂システムの方がより大きな影響を持つことが示されています。両方を組み合わせるのが理想的な解決策となり得ます。

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成長を促進しにくいことが明らかになりました。仕上げ済み繊維は、熱洗浄済み繊維とルームステート繊維よりもCAFを形成しにくく、ルームステート繊維がCAF成長に対する感受性が最も高いことが分かっています。繊維の清浄度、分布、加水分解抵抗（ガラス-樹脂結合を保持するのに役立つ）が、ガラスクロスやシランコーティングの効果に影響します。低吸湿性、純粋な樹脂成分の強化、加水分解抵抗を含む化学的安定性の強化を持つ樹脂は、より良いCAF性能を示します。

その他の材料関連要因には、仕上げタイプ（HASL、ENIG、浸漬銀、浸漬スズなど）とソルダーマスクタイプが含まれます。

 

6. 設計

PCBの設計と製造も、そのCAF耐性を決定する上で重要な役割を果たします。

電圧バイアスがかかったフィーチャー間のギャップが小さい基板は、ギャップが大きい基板よりも速く故障しますが、これはCAF形成プロセスの第2段階にのみ影響すると考えられています。

ホール間およびライン間の間隔に加え、穴あけ径とメッキスルーホールの銅厚もCAF耐性に影響します。バイアスがかかったフィーチャーが多いと、CAF形成の機会も増えます。アノード側ビアはカソード側ビアよりも速く故障します。それらのワープとウェフト方向も役割を果たします。45度角でスタッガー配置されたビアは、CAF耐性が高くなります。製造後にフィルボイド、ガラスストップ、ウィッキング、その他の問題が存在する場合、それらはCAF成長の既存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その他のプロセスには、リフローとデスミアプロセスがあります。

PCBの多くの側面、設計と製造の側面を含め、CAF形成への耐性に影響します。これらの要因には：

• 使用材料（ラミネート、樹脂システム、ガラスコーティングなど）
• ホール間距離やレイアウトなどの設計要因
• 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
• 既存欠陥とその他の製造品質問題

これほど多くの要因がCAF性能に影響するため、PCB製造プロセスのあらゆる段階でCAFを考慮すべきです。基板をCAF耐性に最適化することで、より信頼性の高い最終製品が得られます。

 

CAFの特定

一度発生したCAFを特定するのは困難で、検査と研究を難しくしています。CAFはしばしばPCB内部に埋もれた層で発生します。また、他の寄与故障要因とともに現れることもあり、CAFが単独の責任故障モードであるかどうかを判断するのが難しくなります。

しかし、CAF形成と故障をチェックし、特性を把握するためにさまざまな高度なテスト方法を使用できます。これらのテストには、表面絶縁抵抗（SIR）試験として知られるIPC標準電気的方法が含まれます：

• IPC電気化学的移行試験： PCB基板表面を横切る電流の流れに対する抵抗を測定するIPC標準試験。
• 温度-湿度-バイアス（T-H-B）試験： 処理温度、相対湿度と経時湿度、電圧バイアスを考慮したSIR試験。

 

PCB上のCAF形成をイメージングするさまざまな方法も使用できます。これらの技術には：

• 走査型電子顕微鏡（SEM）： 陽極に向かって電子を送る一次電子ビームガンを真空中で電磁レンズを通して使用します。二次電子（SE）モード（表面形状イメージングに最適）または反射電子（BSE）モード（原子番号コントラストを可能にする）で動作可能です。
• エネルギー分散型X線分析（EDS）： 入射電子ビームを使用して、銅、塩素、臭素などの元素を特定できます。
• 集束イオンビーム（FIB）： この技術では、表面を高解像度で拡大し、薄い断面を作って3D画像を取得できます。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）： 光学顕微鏡と同様に働くこのシステムは、材料相を特定し、結晶構造を決定できます。
• X線光電子分光（XPS）： 電子分光化学分析（ESCA）とも呼ばれ、化学化合物を特定できる表面分析技術です。
• フーリエ変換赤外分光法（FTIR）： 有機成分を分析し、強度と波長のスペクトルを作成します。
• イオンクロマトグラフィー： アニオンまたはカチオン交換クロマトグラフィーのいずれかで、イオンと極性分子を分離します。

 

導電性アノディックフィラメント耐性試験

基板のCAF耐性試験を実施することは、その全体的な品質と信頼性を確保するのに役立ちます。回路基板とエレクトロニクス実装業界の業界団体であるIPCには、IPC-TM-650 Method 2.6.25Aと題されたCAF耐性の標準試験手順があります。標準化された試験方法の使用により、容易に理解でき、比較可能なCAF耐性評価が可能になります。

この試験では、IPC-9253およびIPC-9254（10層、約125×175ミリメートル）、IPC-9255およびIPC-9256などのIPC標準クーポン設計を使用できます。一部の原機器メーカーは独自のクーポン設計も使用します。ラミネートのCAF性能をテストする際は、さまざまなフィーチャー間隔、レイアウト、穴サイズを持つ複数の設計を使用すべきです。

IPC試験法では、サンプルロットごとにバイアスレベルごとに最低25枚の試験基板を使用することを推奨しており、これによりサンプルと条件セットごとに4,200の潜在的なインライン、ホール間CAF故障ポイントと、7,800の潜在的な対角線ホール間CAF故障サイトが得られます。

IPC試験法では、約65℃または85℃（149〜185°F）の高温と、87%相対湿度（RH）の高湿度条件下でこれらの基板をテストします。100ボルトの直流を印加して初期絶縁抵抗測定を取得した後、サンプルは96時間の温度・湿度調整を受け、再度絶縁抵抗測定を行います。

その後、サンプルは連続的に印加されたバイアス電圧で最低500時間の試験を受けます。この期間中、24〜100時間ごとに高抵抗測定を行います。500時間後、さらに絶縁抵抗測定を行います。

試験後、データを見て著しい低下や高抵抗短絡がないか確認します。基板が故障し、CAF故障が疑われる場合、上記のような試験方法を用いて故障解析を行い、原因を確認できます。

試験では、各間隔での500時間後の故障率が得られます。試験結果は、CAF耐性またはCAF品質の観点から記述できます。CAF耐性は、材料システムがCAF形成に感受性があるかどうかを判断することに焦点を当て、欠陥を重視しません。CAF品質は、材料の故障率モデルであり、欠陥ベースの故障を含む場合があります。

 

Millennium Circuits LimitedのCAF耐性PCB材料

CAF耐性は、あらゆるプリント基板プロジェクトにおいて主要な関心事であるべきです。

PCBがより小型化し、フィーチャーをより近接配置する必要が生じるにつれ、CAF形成のリスクは高まります。特定の条件下で使用される基板や、信頼性が重要なアプリケーションでは、CAF性能は特に重要です。

だからこそ、Millennium Circuits Limitedが提供するすべての材料はCAF耐性を備えています。多様な材料バリエーション、フレックスおよびリジッドフレックス回路、表面仕上げ、高電力・高熱基板を提供しています。また、パネル作成、設計ルールチェック、制御インピーダンスモデリングなどのエンジニアリングサービスも提供しています。試作から短納期の大量注文まで、あらゆる規模の注文に対応します。

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