Comprendre et prévenir le filament anodique conducteur (CAF) dans les PCB

Sommaire :

• Qu'est-ce que la formation de filament anodique conducteur
• Perspective historique du CAF
• Comment éviter la défaillance CAF
• Identification du CAF
• Test de résistance au filament anodique conducteur
• Matériaux PCB résistants au CAF de Millennium Circuits Limited

La défaillance par filament anodique conducteur (CAF) est une préoccupation courante et croissante dans l'industrie électronique. Elle a le potentiel d'être un mode de défaillance catastrophique, où un sel conducteur contenant du cuivre peut se former à l'intérieur des circuits imprimés (PCB). C'est un type de migration électrochimique qui se développe le long de l'interface époxy/verre de l'anode vers la cathode sous la surface. 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 filament anodique conducteur ?

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

1. Premièrement, l'interface résine-verre se dégrade, ce qui est considéré comme réversible.
2. La deuxième étape, la migration électrochimique, n'est pas réversible.

La défaillance CAF fait référence à la défaillance électrique qui résulte de la formation CAF. La défaillance se produit lorsque le CAF se développe de l'anode vers la cathode.

Pour que le CAF se forme, plusieurs éléments doivent être présents :

• Porteurs de charge électrique, qui permettent la formation d'une cellule électrochimique.
• Eau, qui se produit en raison de l'humidité et de l'accumulation d'humidité et dissout le matériau ionique, le maintenant dans son état ionique mobile.
• Un environnement acide près des conducteurs pour permettre la corrosion à l'anode.
• Un biais de tension, qui est la force qui entraîne la réaction.
• Un chemin pour que les ions suivent lorsqu'ils se déplacent de l'anode vers la cathode.

De nombreux autres facteurs sont censés accélérer le processus de formation, notamment les températures élevées, l'humidité élevée, les cycles thermiques répétés, le 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 maximales de fonctionnement, pourraient également contribuer à une défaillance liée au CAF.

Perspective historique du CAF

Le CAF a été identifié pour la première fois en 1976 par des chercheurs des Bell Labs. Les premières études impliquaient des tests de différents revêtements de résines durcies aux UV en utilisant des 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 en verre, le revêtement de surface et l'épaisseur de la couche de beurre époxy. Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient modéliser le temps avant défaillance sur un graphique log-normal et ont identifié la température, l'humidité et le biais comme facteurs accélérant 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 défaillances. L'article qui l'a utilisé pour la première fois se concentrait sur la façon dont les matériaux et l'orientation des conducteurs étaient liés à la formation du CAF. Cette même année a également vu l'introduction du modèle à deux étapes. Les recherches sur le CAF ont continué jusqu'à aujourd'hui, avec des chercheurs testant comment l'humidité, la température, le biais, les matériaux, l'orientation des conducteurs et d'autres facteurs influencent 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, 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 la défaillance CAF est devenu une préoccupation plus pressante alors que les fabricants produisent des PCB plus petits avec une densité de circuit plus élevée. Les circuits voient également plus d'utilisation dans des environnements et conditions difficiles où la fiabilité est critique. De plus, l'utilisation de 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 le CAF qu'avant 1976, la recherche se poursuit. À mesure que la technologie s'améliore, nous en apprenons davantage sur les raisons pour lesquelles le CAF se produit, comment l'identifier et comment le prévenir.

Comment éviter la défaillance CAF

Il existe de nombreuses mesures différentes que vous pouvez prendre pour minimiser le risque de défaillance CAF. La recherche sur les moyens d'éviter ce problème est en cours, mais éviter les conditions permettant la formation du CAF aidera à le prévenir. Voici certains des facteurs à considérer :

1. Humidité et humidité

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

2. Procédés entraînant une contamination acide

Les procédés utilisés pendant la fabrication peuvent introduire des contaminations acides, ce qui augmente la probabilité de formation 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

Puisque la tension de biais est la force qui entraîne la réaction, un biais de tension élevé réduira significativement les chances de formation CAF. Des tensions plus élevées diminuent également les performances CAF.

4. Défauts préexistants

Les défauts préexistants tels que les fractures, les vides, le suintement, la contamination et le désalignement peuvent également créer des chemins pour les filaments problématiques. Vous devez être prudent lors du perçage des trous pour ne pas endommager le circuit. De tels dommages peuvent créer ces chemins en provoquant des fissures, du suintement et d'autres défauts. La vitesse de perçage, le taux d'avance et d'autres facteurs influencent la probabilité de ces problèmes. Les défauts partiels tels que le pontage incomplet entre les caractéristiques peuvent également contribuer.

Les températures élevées comme celles de la température ambiante, des cycles thermiques répétés et du refusion avec une température de pic élevée créent plus de stress sur un circuit et augmentent la probabilité de dommages ainsi que la formation CAF.

5. Matériaux

Un autre facteur influent de défaillance CAF est les matériaux utilisés pour fabriquer le circuit. L'utilisation de matériaux résistants au CAF, comme le fait Millennium Circuits Limited, est l'un des moyens les plus efficaces pour prévenir la formation et la défaillance CAF.

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

Il est important de noter, cependant, que même des matériaux de stratification identiquement spécifiés de différents fournisseurs peuvent différer en résistance au CAF. En général, cependant, la sensibilité de divers stratifiés de la moins à la 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 de verre et des systèmes de résine pour augmenter la résistance d'isolation et prévenir la formation CAF. Ces deux matériaux sont considérés comme utiles à cet effet. Des tests des deux substances, cependant, ont montré que les systèmes de résine ont un impact plus significatif que les revêtements de verre. L'utilisation des deux ensemble peut être une solution idéale.

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

D'autres facteurs liés aux matériaux incluent le type de finition, tel que HASL, ENIG, argent immersion ou étain 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 au CAF.

Les circuits qui ont un écart plus petit entre les caractéristiques sous tension échouent plus rapidement que ceux avec des écarts plus grands, bien qu'on pense que cela n'affecte que la deuxième étape du processus de formation 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 impactent la résistance au CAF. Avoir plus de caractéristiques sous tension augmente également le nombre d'opportunités pour le CAF de se former. Les vias anodiques échouent plus rapidement que les vias cathodiques. Leur direction de chaîne et de trame joue également un rôle. Les vias décalés à des angles de 45 degrés ont une résistance plus élevée au CAF. Si des vides de remplissage, des arrêts de verre, du suintement ou d'autres problèmes sont présents après la fabrication, ils peuvent agir comme des chemins préexistants pour la croissance du CAF.

D'autres procédés qui peuvent augmenter la probabilité de formation CAF incluent les processus de refusion et de désengraissage.

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

• Les matériaux utilisés, y compris les stratifiés, systèmes de résine et revêtements de verre.
• Facteurs de conception tels que la distance trou-à-trou et la disposition.
• Procédés tels que la soudure et la refusion.
• Niveaux de tension.
• Tension de biais.
• Défauts préexistants et autres problèmes de qualité de fabrication.

Puisque tant de facteurs influencent les performances CAF, vous devriez considérer le CAF à chaque étape du processus de production PCB. Optimiser votre circuit pour la résistance au CAF aboutira à un produit final plus fiable.

Identification du 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 enterrées 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 seul responsable.

Vous pouvez cependant utiliser diverses méthodes de test avancées pour vérifier et caractériser la formation et la défaillance CAF. Ces tests incluent les méthodes électriques standard IPC connues sous le nom de tests de résistance d'isolation de surface (SIR), qui incluent :

• Test de migration électrochimique IPC : Un test standard IPC pour mesurer la résistance au passage du courant à travers la surface d'un substrat PCB.
• Test 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 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 un vide à travers des lentilles électromagnétiques. Vous pouvez faire fonctionner cet appareil en mode électron secondaire (SE) — idéal pour l'imagerie de topographie de surface — ou en mode électron rétrodiffusé (BSE), qui permet un contraste de numéro atomique.
• 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 grossir une surface à haute résolution, puis faire une coupe transversale mince pour obtenir une image 3D.
• Microscopie électronique en transmission (MET) : Ce système, qui fonctionne de manière similaire à un microscope optique, peut identifier les phases de matériau et déterminer la structure cristallographique.
• Spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) : Parfois appelée spectroscopie électronique pour l'analyse chimique (ESCA), cette méthode est une technique d'analyse de surface qui peut identifier les 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 soit une chromatographie d'échange d'anions ou de cations, sépare les ions et les molécules polaires.

Test de résistance au filament anodique conducteur

Effectuer un test de la résistance CAF d'un circuit aide à garantir sa qualité et sa fiabilité globales. IPC, l'association professionnelle pour les industries des circuits imprimés et de l'assemblage électronique, a une procédure de test standard pour la résistance CAF intitulée IPC-TM-650 Méthode 2.6.25A. L'utilisation d'une méthode de test standardisée permet des évaluations de résistance CAF facilement compréhensibles et comparables.

Pour ce test, vous pouvez utiliser des conceptions de coupons standard IPC telles 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 utilisent également leurs propres conceptions de coupons. Lors du test d'un stratifié pour les performances CAF, vous devriez utiliser plusieurs conceptions qui ont une gamme d'espacements de caractéristiques, de dispositions et de tailles de trous.

La méthode de test IPC recommande d'utiliser au moins 25 circuits de test par lot d'échantillon 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 diagonaux trou-à-trou pour chaque ensemble d'échantillons et de conditions.

La méthode de test IPC implique de tester ces circuits sous des températures élevées d'environ 65 ou 85 degrés Celsius (149 à 185 degrés Fahrenheit) et des conditions d'humidité élevée de 87 % d'humidité relative (HR). Après avoir appliqué 100 volts en courant continu pour obtenir des mesures initiales de résistance d'isolation, les échantillons subissent 96 heures de conditionnement en température et humidité, suivies d'un autre tour de mesures de résistance d'isolation.

Ensuite, les échantillons subissent un minimum de 500 heures de test avec un biais de tension appliqué en continu. Prenez des mesures de haute résistance toutes les 24 à 100 heures pendant ce temps. Après 500 heures, prenez un autre ensemble de mesures de résistance d'isolation.

Après le test, vous examinez les données pour toute chute significative ou court-circuit à haute résistance. Si le circuit échoue et que vous soupçonnez une défaillance CAF, vous pouvez effectuer une analyse de défaillance en utilisant des méthodes de test telles que celles énumérées ci-dessus pour confirmer la cause.

Le test vous donnera un taux de défaillance en pourcentage à 500 heures pour chaque espacement. Vous pouvez décrire les résultats du test en termes de résistance CAF ou de qualité CAF. La résistance CAF se concentre sur la détermination de savoir si un système de matériaux est sensible à la formation 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 les défauts.

Matériaux PCB résistants au CAF de Millennium Circuits Limited

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

À mesure que les PCB deviennent plus petits et que les caractéristiques doivent être placées plus près les unes des autres, le risque de formation CAF augmente. Pour les circuits utilisés dans certaines conditions et dans des applications où la fiabilité est critique, les performances CAF sont particulièrement vitales.

C'est pourquoi tous les matériaux que Millennium Circuits Limited fournit sont résistants au CAF. Nous offrons une gamme de variétés de matériaux, circuits flex et rigides-flex et finitions de surface ainsi que des circuits de 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 d'impédance contrôlée. Nous traitons des commandes de toute taille, du prototypage aux commandes de gros volume avec délai 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 et demander un devis rapide en remplissant ce formulaire en ligne.

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