Guide des problèmes de PCB CAF

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• Qu'est-ce que la formation de filaments anodiques conducteurs
• Perspective historique des FAC
• Comment éviter l'échec du CAF
• Identifier les CAF
• Test de résistance des filaments anodiques conducteurs
• Matériaux PCB résistants aux CAF de Millenium Circuits Limited

La défaillance du filament anodique conducteur (CAF) est une préoccupation courante et croissante dans l'industrie électronique. Il a le potentiel d'être un mode de défaillance catastrophique, où un sel conducteur contenant du cuivre peut se former dans les cartes de circuits imprimés (PCB). C'est un type de migration électrochimique qui se développe le long de l'interface époxy ou verre de l'anode à la sous-surface de la cathode. La migration électrochimique est un processus dans lequel des filaments métalliques conducteurs se développent à travers un matériau diélectrique.

Qu'est-ce que la formation de filaments anodiques conducteurs ?

La formation de la CAF est le terme désignant le processus par lequel la CAF se développe. La formation des FAC est décrite comme un processus en deux étapes :

1. Tout d'abord, l'interface résine-verre se dégrade, ce qui est censé être réversible.
2. La deuxième étape, la migration électrochimique, n'est pas réversible.

La défaillance du CAF fait référence à la panne électrique résultant de la formation du CAF. L'échec se produit lorsque le CAF se développe de l'anode à la cathode.

Pour que la CAF se forme, vous avez besoin de plusieurs éléments :

• Les porteurs de charge électrique, qui permettent la formation d'une cellule électrochimique.
• L'eau, qui se produit en raison de l'humidité et de l'accumulation d'humidité, dissout le matériau ionique, le maintenant dans son état ionique mobile.
• Un environnement acide à proximité des conducteurs pour permettre la corrosion à l'anode.
• Une polarisation de tension, qui est la force qui entraîne la réaction.
• Un chemin que les ions doivent emprunter lorsqu'ils se déplacent de l'anode à la cathode.

On pense que de nombreux autres facteurs accélèrent le processus de formation, notamment des températures élevées, une humidité élevée, des cycles thermiques répétés, un gradient de tension élevé entre l'anode et la cathode, certains ingrédients de flux de soudure et plus encore. D'autres problèmes, tels que les défaillances de composants et le dépassement des températures de fonctionnement maximales, peuvent également contribuer à une défaillance liée au CAF.

Perspective historique des FAC

La CAF a été identifiée pour la première fois en 1976 par des chercheurs du Bell Lab. Les premières études impliquaient des tests de différents revêtements de résines durcies aux UV à l'aide de circuits imprimés flexibles à lignes fines FR-4. D'autres variables de prévention des défaillances ont également été étudiées, notamment le nombre de couches de renforcement du verre, la couche de couverture et l'épaisseur de la couche de revêtement époxy. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient modéliser le temps jusqu'à la défaillance sur un tracé log-normal et identifié la température, l'humidité et le biais comme des facteurs qui accéléraient le processus. Ils ont également décrit quatre défaillances liées au substrat.

En 1979, les chercheurs ont utilisé pour la première fois le terme CAF pour désigner ces échecs. L'article qui l'a utilisé pour la première fois s'est concentré sur la façon dont les matériaux et l'orientation du conducteur étaient liés à la formation de CAF. Cette même année a également vu l'introduction du modèle en deux étapes. Les enquêtes sur le CAF se sont poursuivies à ce jour, les chercheurs testant l'influence de l'humidité, de la température, du biais, des matériaux, de l'orientation du conducteur et d'autres facteurs sur sa formation.

La plupart de ces recherches se sont concentrées sur les stratifiés traditionnels, tels que FR-4, G-10, BT et MC-2. Plus récemment, cependant, certains ont appliqué des matériaux plus récents, à savoir des stratifiés résistants au CAF ou sans halogène, qui ont généralement des propriétés thermiques améliorées.

Ces dernières années, apprendre à prévenir les défaillances du CAF est devenu une préoccupation plus pressante, car les fabricants produisent des PCB plus petits avec une densité de circuit plus élevée. Les cartes sont désormais également plus utilisées dans des environnements et des conditions difficiles où la fiabilité est essentielle. De plus, l'utilisation de la soudure sans plomb et l'augmentation des choix de matériaux ont renforcé l'intérêt pour le sujet.

Bien que nous en sachions maintenant beaucoup plus sur la CAF qu'avant 1976, les recherches se poursuivent. Au fur et à mesure que la technologie s'améliore, nous en apprenons davantage sur les raisons pour lesquelles la CAF survient, comment l'identifier et comment la prévenir.

Comment éviter l'échec du CAF

Il existe de nombreuses mesures différentes que vous pouvez prendre pour minimiser le risque d'échec du CAF. Des recherches sur les moyens d'éviter ce problème sont en cours, mais éviter les conditions permettant la formation des FAC aidera à le prévenir. Voici quelques-uns des facteurs à prendre en compte :

1. Humidité et humidité

Parce qu'il nécessite un électrolyte, une teneur en eau plus élevée augmente le risque de défaillance du CAF. Une humidité accrue entraîne une teneur en humidité plus élevée, ce qui diminue les performances du CAF.

2. Processus entraînant une contamination acide

Les processus utilisés pendant la fabrication peuvent introduire des contaminations acides, ce qui augmente la probabilité de formation de CAF. L'utilisation de certains flux de soudure et l'introduction de résidus acides pendant le processus de placage en sont des exemples.

3. Biais et tension

Étant donné que la tension de polarisation est la force qui entraîne la réaction, une polarisation à haute tension réduira considérablement les risques de formation de CAF. Des tensions plus élevées diminuent également les performances du CAF.

4. Défauts préexistants

Des défauts préexistants tels que la fracturation, les vides, l'effet de mèche, la contamination et le mauvais enregistrement peuvent également créer des voies pour les filaments problématiques. Vous devez être prudent lorsque vous percez des trous afin de ne pas endommager la planche. De tels dommages peuvent créer ces voies en provoquant des fissures, des effets de mèche et d'autres défauts. La vitesse de perçage, la vitesse d'avance et d'autres facteurs influencent la probabilité que ces problèmes se produisent. Des défauts partiels tels qu'un pontage incomplet entre les fonctionnalités peuvent également y contribuer.

Des températures élevées comme celles de la température ambiante, des cycles thermiques répétitifs et une refusion avec une température de pointe élevée créent plus de contraintes sur une carte et augmentent la probabilité de dommages ainsi que la formation de CAF.

5. Matériaux

Un autre facteur influent d'échec du CAF est les matériaux utilisés pour fabriquer la planche. L'utilisation de matériaux résistants aux CAF, comme le fait Millennium Circuits Limited, est l'un des moyens les plus efficaces d'empêcher la formation et la défaillance des CAF.

En ce qui concerne les matériaux stratifiés, diverses études au cours des 30 dernières années ont mesuré la sensibilité au CAF de divers stratifiés. La recherche suggère que le bismaléimide triazine (BT) est le stratifié le plus résistant au CAF, tandis que le MC-2 est le plus sensible. Les stratifiés à haute résistance thermique ont tendance à mieux résister à la formation de CAF.

Il est important de noter, cependant, que même des matériaux stratifiés spécifiés de manière identique provenant de différents fournisseurs peuvent différer en termes de résistance au CAF. En général, cependant, la sensibilité de divers stratifiés, du moins au plus sensible, est la suivante :

• MC-2
• Époxy/Kevlar
• FR-4 et PI (approximativement égaux)
• CE
• BT

Les fabricants de PCB utilisent fréquemment des finitions en verre et des systèmes de résine pour augmenter la résistance d'isolation et empêcher la formation de CAF. Ces deux matériaux sont considérés comme utiles à cette fin. Les tests des deux substances ont cependant montré que les systèmes de résine ont un impact plus important que les revêtements de verre. Utiliser les deux ensemble peut être une solution idéale.

Des recherches plus poussées ont révélé que la résine durcie au DICY peut être moins susceptible de favoriser la croissance des CAF que la résine durcie au phénol. Les fibres finies sont moins susceptibles que les fibres nettoyées à chaud et à l'état de métier de former du CAF, les fibres à l'état de métier ayant la plus grande sensibilité à la croissance du CAF. La propreté, la distribution et la résistance à l'hydrolyse des fibres - qui aident à préserver les liaisons verre-résine - influencent l'efficacité des revêtements en tissu de verre ou en silane. Les résines à faible absorption d'humidité, les composants de résine pure améliorés et la stabilité chimique renforcée - y compris la résistance à l'hydrolyse - ont de meilleures performances CAF.

D'autres facteurs liés au matériau incluent le type de finition, comme HASL, ENIG, l'argent par immersion ou l'étain par immersion et le type de masque de soudure.

6. Conception

La conception et la fabrication d'un PCB jouent également un rôle crucial dans la détermination de sa résistance CAF.

Les cartes qui ont un plus petit écart entre les caractéristiques polarisées en tension échouent plus rapidement que celles avec des écarts plus grands, bien que cela n'affecte que la deuxième étape du processus de formation du CAF.

En plus de l'espacement trou à trou et ligne à ligne, la taille des trous percés et l'épaisseur du cuivre dans les trous traversants plaqués ont un impact sur la résistance CAF. Le fait d'avoir plus de fonctionnalités biaisées augmente également le nombre d'opportunités que la CAF doit créer. Les vias anodiques échouent également plus rapidement que les vias cathodiques. Leur sens de chaîne et de trame joue également un rôle. Les vias échelonnés à des angles de 45 degrés ont une résistance plus élevée au CAF. Si des vides de remplissage, des arrêts de verre, des mèches ou d'autres problèmes sont présents après la fabrication, ils peuvent agir comme des voies préexistantes pour la croissance du CAF.

D'autres processus qui peuvent augmenter la probabilité de formation de CAF comprennent les processus de refusion et de desmear.

De nombreux aspects différents d'un PCB, y compris des aspects de sa conception et de sa fabrication, ont un impact sur sa résistance à la formation de CAF. Ces facteurs incluent :

• Les matériaux utilisés, y compris les stratifiés, les systèmes de resign et les revêtements en verre.
• Facteurs de conception tels que la distance entre les trous et la disposition.
• Processus tels que le soudage et la refusion.
• Niveaux de tension.
• Tension de polarisation.
• Défauts préexistants et autres problèmes de qualité de fabrication

Étant donné que de nombreux facteurs influencent les performances du CAF, vous devez prendre en compte le CAF à chaque étape du processus de production de PCB. Optimiser votre planche pour la résistance CAF se traduira par un produit final plus fiable.

Identifier les CAF

Identifier le CAF une fois qu'il se produit est difficile, ce qui le rend difficile à inspecter et à étudier. Le CAF se produit souvent dans des couches enfouies dans les PCB. Il peut également apparaître aux côtés d'autres facteurs de défaillance contributifs, ce qui rend difficile de réaliser quand le CAF est un mode de défaillance uniquement responsable.

Vous pouvez cependant utiliser diverses méthodes de test avancées pour vérifier et caractériser la formation et l'échec du CAF. Ces tests incluent des méthodes électriques conformes à la norme IPC connues sous le nom de tests de résistance d'isolement de surface (SIR), qui incluent :

• Test de migration électrochimique IPC : Un test standard IPC pour mesurer la résistance au flux de courant à travers la surface d'un substrat de PCB.
• Test de température-humidité-biais (T-H-B) : Un test SIR qui prend en compte la température de traitement, l'humidité relative et de vieillissement et le biais de tension.

Vous pouvez également utiliser diverses méthodes pour imager la formation de CAF sur un PCB. Ces techniques incluent :

• Microscopie électronique à balayage (MEB) : Cette méthode implique l'utilisation d'un canon à faisceau d'électrons primaire qui envoie des électrons vers l'anode chargée positivement dans le vide à travers des lentilles électromagnétiques. Vous pouvez faire fonctionner cet appareil en mode électron secondaire (SE), qui est idéal pour l'imagerie de la topographie de surface, ou en mode électron rétrodiffusé (BSE), qui permet le contraste des numéros atomiques.
• Spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS) : Ce faisceau d'électrons incident peut être utilisé pour identifier des éléments tels que le cuivre, le chlore et le brome.
• Faisceau d'ions focalisé (FIB) : Avec cette technique, vous pouvez agrandir une surface à haute résolution, puis faire une coupe transversale fine pour obtenir une image 3D.
• Microscopie électronique à transmission (MET) : Ce système, qui fonctionne comme un microscope optique, peut identifier les phases matérielles et déterminer la structure cristallographique.
• Spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) : Parfois appelée spectroscopie électronique pour l'analyse chimique (ESCA), cette méthode est une technique d'analyse de surface qui permet d'identifier des composés chimiques.
• Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) : Cette technique analyse les constituants organiques et crée un spectre de lectures d'intensité et de longueur d'onde.
• Chromatographie ionique : Ce processus, qui peut être une chromatographie d'échange d'anions ou de cations, sépare les ions et les molécules polaires.

Test de résistance du filament anodique conducteur

La réalisation d'un test de résistance CAF d'une carte permet de garantir sa qualité et sa fiabilité globales. IPC, l'association professionnelle des industries des circuits imprimés et de l'assemblage électronique, a une procédure de test standard pour la résistance CAF intitulée IPC-TM-650 Method 2.6.25A. L'utilisation d'une méthode de test standardisée permet d'obtenir des cotes de résistance CAF facilement compréhensibles et comparables.

Pour ce test, vous pouvez utiliser des modèles de coupons standard IPC tels que IPC-9253 et IPC-9254, qui ont 10 couches et des dimensions d'environ 125 × 175 millimètres, ainsi que IPC-9255 et IPC 9256. Certains fabricants d'équipement d'origine ont également utiliser leurs propres conceptions de coupons. Lorsque vous testez un stratifié pour les performances CAF, vous devez utiliser plusieurs conceptions qui ont une gamme d'espacements, de dispositions et de tailles de trous.

La méthode de test IPC recommande d'utiliser au moins 25 cartes de test par lot d'échantillons par niveau de biais, ce qui fournit 4 200 points de défaillance CAF potentiels en ligne, trou à trou et 7 800 sites de défaillance CAF potentiels en diagonale trou à trou pour chaque échantillon et condition définie.

La méthode de test IPC consiste à tester ces cartes à des températures élevées d'environ 65 ou 85 degrés Celsius (149 à 185 degrés Fahrenheit) et dans des conditions d'humidité élevée de 87 % d'humidité relative (HR). Après avoir appliqué 100 volts de courant continu pour obtenir des mesures initiales de résistance d'isolement, les échantillons subissent 96 heures de conditionnement de température et d'humidité, suivis d'une autre série de mesures de résistance d'isolement.

Ensuite, les échantillons subissent un minimum de 500 heures de test avec une tension de polarisation appliquée en continu. Prenez des mesures de haute résistance toutes les 24 à 100 heures pendant cette période. Après 500 heures, effectuez une autre série de mesures de résistance d'isolement.

Après le test, vous examinez les données pour toute chute significative ou tout court-circuit à haute résistance. Si la carte tombe en panne et que vous soupçonnez qu'il s'agit d'une panne CAF, vous pouvez effectuer une analyse de panne à l'aide de méthodes de test telles que celles répertoriées ci-dessus pour confirmer la cause.

Le test vous donnera un taux d'échec en pourcentage à 500 heures pour chaque espacement. Vous pouvez décrire les résultats des tests en termes de résistance CAF ou de qualité CAF. La résistance CAF vise à déterminer si un système matériel est susceptible ou non de formation de CAF et ne met pas l'accent sur les défauts. La qualité CAF est un modèle de taux de défaillance d'un matériau et peut inclure des défaillances basées sur des défauts.

Matériaux PCB résistants aux CAF de Millennium Circuits Limited

La résistance au CAF devrait être une préoccupation majeure pour tout projet de carte de circuit imprimé.

À mesure que les PCB deviennent plus petits et que les éléments doivent être rapprochés, le risque de formation de CAF augmente. Pour les cartes utilisées dans certaines conditions et dans des applications où la fiabilité est critique, les performances CAF sont particulièrement vitales.

C'est pourquoi tous les matériaux fournis par Millennium Circuits Limited sont résistants au CAF. Nous proposons une gamme de variétés de matériaux, des circuits flexibles et rigides-flexibles et des finitions de surface ainsi que des cartes haute puissance et thermiques. Nous fournissons également des services d'ingénierie, y compris la création de panneaux, la vérification des règles de conception et la modélisation à impédance contrôlée. Nous traitons les commandes de toutes tailles, du prototypage aux commandes volumineuses avec un délai d'exécution rapide.

Pour des produits de haute qualité, un excellent service client, une livraison fiable dans les délais et des prix compétitifs, faites confiance à Millennium Circuits Limited pour tous vos besoins en PCB. Parcourez notre site Web pour en savoir plus sur nos capacités. Vous pouvez également nous contacter pour toute question que vous pourriez avoir et demander un devis rapide en remplissant ce formulaire en ligne.

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