Memahami dan Mencegah Filamen Anoda Konduktif (CAF) pada PCB

Lompat ke:

• Apa itu Pembentukan Filamen Anoda Konduktif
• Perspektif Sejarah CAF
• Cara Menghindari Kegagalan CAF
• Mengidentifikasi CAF
• Tes Resistansi Filamen Anoda Konduktif
• Bahan PCB Tahan CAF dari Millennium Circuits Limited

 

Kegagalan Filamen Anoda Konduktif (CAF) adalah kekhawatiran umum dan semakin berkembang dalam industri elektronik. Ini memiliki potensi menjadi mode kegagalan yang merusak, di mana garam konduktif yang mengandung tembaga dapat terbentuk di dalam papan sirkuit cetak (PCB). Ini adalah jenis migrasi elektrokimia yang tumbuh di sepanjang antarmuka epoksi atau kaca dari anode ke katode sub-permukaan. Migrasi elektrokimia adalah proses di mana filamen logam konduktif tumbuh di seluruh material dielektrik.

 

Apa itu Pembentukan Filamen Anoda Konduktif?

Pembentukan CAF adalah istilah untuk proses di mana CAF tumbuh. Pembentukan CAF digambarkan sebagai proses dua langkah:

1. Pertama, antarmuka kaca resin merusak, yang diperkirakan dapat dibalik.
2. Tahap kedua, migrasi elektrokimia, tidak dapat dibalik.

Kegagalan CAF merujuk pada kegagalan listrik yang timbul dari pembentukan CAF. Kegagalan terjadi ketika CAF tumbuh dari anode ke katode.

Agar CAF terbentuk, Anda membutuhkan beberapa hal yang ada:

• Pemegang muatan listrik, yang memungkinkan pembentukan sel elektrokimia.
• Air, yang terjadi karena kelembaban dan pembentukan kelembaban dan melarutkan material ionik, mempertahankannya dalam keadaan ionik selular mereka.
• Lingkungan asam di dekat konduktor untuk memungkinkan korosi pada anode.
• Bias tegangan, yang adalah gaya yang mendorong reaksi.
• Jalur untuk ion saat mereka bergerak dari anode ke katode.

Banyak faktor lain dipercepat proses pembentukan termasuk suhu tinggi, kelembaban tinggi, siklus termal berulang, gradien tegangan tinggi antara anode dan katode, beberapa bahan flux pengelasan dan lebih banyak. Masalah lain, seperti kegagalan komponen dan melebihi suhu operasi maksimum mungkin juga berkontribusi pada kegagalan terkait CAF.

 

Perspektif Sejarah CAF

CAF pertama kali diidentifikasi pada 1976 oleh peneliti di Bell Lab. Studi awal melibatkan tes berbagai lapisan kaca UV-cured menggunakan sirkuit cetak fleksibel fine-line FR-4. Variabel pencegahan kegagalan lainnya juga diteliti, termasuk jumlah berlapis kaca penguat, covercoat dan ketebalan lapisan epoksi buttercoat. Peneliti menemukan mereka dapat memodelkan waktu ke kegagalan pada plot log-normal dan mengidentifikasi suhu, kelembaban dan bias sebagai faktor yang mempercepat proses. Mereka juga menggambarkan empat kegagalan terkait substrat.

Pada 1979, peneliti pertama kali menggunakan istilah CAF untuk merujuk pada kegagalan ini. Kertas yang pertama kali menggunakannya berfokus pada bagaimana bahan dan orientasi konduktor berkaitan dengan pembentukan CAF. Tahun yang sama juga melihat perkenalan model dua tahap. Penyelidikan tentang CAF telah berlanjut hingga hari ini, dengan peneliti menguji bagaimana kelembaban, suhu, bias, bahan, orientasi konduktor dan faktor-faktor lainnya mempengaruhi pembentukannya.

Sebagian besar penelitian ini telah fokus pada laminat tradisional, seperti FR-4, G-10, BT dan MC-2. Namun, lebih baru-baru ini, beberapa telah menerapkan bahan yang lebih baru, yaitu laminat tahan CAF atau bebas halogen, yang biasanya memiliki properti termal yang ditingkatkan.

Tahun-tahun terakhir, mempelajari cara mencegah kegagalan CAF menjadi perhatian yang lebih mendesak seiring produsen memproduksi PCB yang lebih kecil dengan kepadatan sirkuit yang lebih tinggi. Papan sekarang juga lebih banyak digunakan di lingkungan dan kondisi yang keras di mana keandalan krusial. Selain itu, penggunaan pengelasan bebas timbal dan peningkatan pilihan bahan telah meningkatkan minat pada topik ini.

Meskipun sekarang kita tahu lebih banyak tentang CAF dari sebelum 1976, penelitian masih berlanjut. Seiring meningkatnya teknologi, kita mempelajari lebih banyak tentang mengapa CAF terjadi, cara mengidentifikasinya dan cara mencegahnya.

 

Cara Menghindari Kegagalan CAF

Ada banyak langkah yang dapat Anda ambil untuk meminimalkan risiko kegagalan CAF. Penelitian tentang cara menghindari masalah ini masih berlangsung, tetapi menghindari kondisi yang memungkinkan pembentukan CAF akan membantu mencegahnya. Berikut adalah beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan:

 

1. Kelembaban dan Kelembaban Udara

Karena membutuhkan elektrolit, kandungan air yang lebih tinggi meningkatkan kemungkinan kegagalan CAF. Kelembaban udara yang meningkat menyebabkan kandungan kelembaban yang lebih tinggi, yang menurunkan performa CAF.

2. Proses yang Mengarah pada Kontaminasi Asam

Proses yang digunakan selama fabrikan dapat memperkenalkan kontaminasi asam, yang meningkatkan kemungkinan pembentukan CAF. Penggunaan beberapa flux pengelasan dan perkenalan residu asam selama proses plating adalah contohnya.

 

3. Bias dan Tegangan

Karena bias tegangan adalah gaya yang mendorong reaksi, bias tegangan tinggi akan secara signifikan menurunkan kemungkinan pembentukan CAF. Tegangan yang lebih tinggi juga menurunkan performa CAF.

 

4. Cacat yang Sudah Ada

Cacat yang sudah ada seperti retakan, ruang kosong, wicking, kontaminasi dan ketidakselarasan juga dapat menciptakan jalur untuk filamen yang masalah. Anda perlu hati-hati saat menggebor lubang agar tidak merusak papan. Kerusakan tersebut dapat menciptakan jalur ini dengan menyebabkan retakan, wicking dan cacat lainnya. Kecepatan geboran, tingkat umpan dan faktor-faktor lainnya mempengaruhi seberapa besar kemungkinan masalah ini terjadi. Cacat parsial seperti jembatan yang tidak lengkap antara fitur juga dapat berkontribusi.

Suhu tinggi seperti yang berasal dari suhu lingkungan, siklus termal berulang dan reflow dengan suhu puncak tinggi membuat lebih banyak stres pada papan dan meningkatkan kemungkinan kerusakan serta pembentukan CAF.

5. Bahan

Faktor kegagalan CAF yang berpengaruh lain adalah bahan yang digunakan untuk membuat papan. Penggunaan bahan tahan CAF, seperti yang dilakukan Millennium Circuits Limited, adalah salah satu cara paling efektif untuk mencegah pembentukan dan kegagalan CAF.

Saat berkaitan dengan bahan laminat, berbagai studi selama 30 tahun terakhir telah mengukur kerentanan terhadap CAF dari berbagai laminat. Penelitian menunjukkan bahwa bismaleimide triazine (BT) adalah laminat yang paling tahan terhadap CAF, sementara MC-2 adalah yang paling rentan. Laminat dengan resistensi termal tinggi cenderung menahan pembentukan CAF lebih baik.

Penting untuk dicatat, meskipun, bahwa bahkan bahan laminat yang spesifikasi identik dari pemasok berbeda dapat bervariasi dalam resistensi CAF. Secara umum, kerentanan berbagai laminat dari paling sedikit hingga paling rentan adalah sebagai berikut:

• MC-2
• Epoxy/Kevlar
• FR-4 dan PI (kira-kira sama)
• CE
• BT

Produsen PCB sering menggunakan finishing kaca dan sistem resin untuk meningkatkan resistensi insulasi dan mencegah pembentukan CAF. Keduanya dianggap berguna untuk tujuan ini. Namun, tes kedua zat tersebut telah menunjukkan bahwa sistem resin memiliki dampak yang lebih signifikan daripada lapisan kaca. Penggunaan keduanya bersama-sama dapat menjadi solusi ideal.

Penelitian lebih lanjut telah mengungkapkan bahwa resin yang diobati DICY mungkin kurang mungkin untuk mempromosikan pertumbuhan CAF dibandingkan resin yang diobati fenolik. Serat yang selesai kurang mungkin daripada serat yang dibersihkan panas dan loom-state untuk membentuk CAF dengan serat loom-state yang memiliki kerentanan tertinggi terhadap pertumbuhan CAF. Kebersihan serat, distribusi dan resistensi hidrolisis yang membantu menjaga ikatan kaca-resin mempengaruhi efektivitas kain kaca atau lapisan silan. Resin dengan penyerapan kelembaban rendah, komponen resin murni yang ditingkatkan dan stabilitas kimia yang ditingkatkan termasuk resistensi hidrolisis memiliki performa CAF yang lebih baik.

Faktor terkait bahan lainnya termasuk jenis finishing, seperti HASL, ENIG, perak rendam atau timah rendam, dan jenis solder mask.

 

6. Desain

Desain dan fabrikan PCB juga memainkan peran krusial dalam menentukan resistensi CAF-nya.

Papan yang memiliki jarak yang lebih kecil antara fitur yang bias tegangan gagal lebih cepat daripada yang memiliki jarak yang lebih besar, meskipun ini dipercaya hanya mempengaruhi langkah kedua dari proses pembentukan CAF.

Selain jarak lubang-ke-lubang dan garis-ke-garis, ukuran lubang geboran dan ketebalan tembaga dalam lubang through-hole yang dilapisi mempengaruhi resistensi CAF. Memiliki lebih banyak fitur bias juga meningkatkan kesempatan CAF untuk terbentuk. Via anode gagal lebih cepat daripada via katode. Arah urat dan wen juga memainkan peran. Via yang ditempatkan bergantian pada sudut 45 derajat memiliki resistensi yang lebih tinggi terhadap CAF. Jika ruang kosong isian, kaca berhenti, wicking atau masalah lainnya ada setelah fabrikan, mereka dapat bertindak sebagai jalur yang sudah ada untuk pertumbuhan CAF.

Proses lain yang dapat meningkatkan kemungkinan pembentukan CAF meliputi proses reflow dan desmear.

Banyak aspek PCB, termasuk aspek desain dan fabrikan, mempengaruhi resistensinya terhadap pembentukan CAF. Faktor-faktor ini meliputi:

• Bahan yang digunakan, termasuk laminat, sistem resin dan lapisan kaca.
• Faktor desain seperti jarak lubang-ke-lubang dan tata letak.
• Proses seperti pengelasan dan reflow.
• Tingkat tegangan.
• Tegangan bias.
• Cacat yang sudah ada dan masalah kualitas fabrikan lainnya.

Karena begitu banyak faktor yang mempengaruhi performa CAF, Anda harus mempertimbangkan CAF selama setiap tahap proses produksi PCB. Mengoptimalkan papan Anda untuk resistensi CAF akan menghasilkan produk akhir yang lebih andal.

 

Mengidentifikasi CAF

Mengidentifikasi CAF setelah terjadi adalah tantangan, sehingga sulit untuk diperiksa dan diteliti. CAF sering terjadi di berlapis yang tertutup di dalam PCB. Ini juga dapat muncul bersama faktor kegagalan penyumbang lainnya, sehingga sulit untuk menyadari kapan CAF adalah mode kegagalan yang bertanggung jawab sepenuhnya.

Anda dapat, tuttavia, menggunakan berbagai metode pengujian canggih untuk memeriksa dan memaparkan pembentukan dan kegagalan CAF. Tes ini termasuk metode listrik standar IPC yang dikenal sebagai tes Resistansi Insulasi Permukaan (SIR), yang meliputi:

• Tes Migrasi Elektrokimia IPC: Tes standar IPC untuk mengukur resistensi terhadap aliran arus di seluruh permukaan substrat PCB.
• Tes Suhu-Kelembaban-Bias (T-H-B): Tes SIR yang mempertimbangkan suhu pemrosesan, kelembaban relatif dan usia serta tegangan bias.

 

Anda juga dapat menggunakan berbagai metode untuk menguraikan pembentukan CAF pada PCB. Teknik ini meliputi:

• Mikroskopi Elektron Pemindai (SEM): Metode ini melibatkan penggunaan semburan elektron primer yang mengirim elektron menuju anode yang bermuatan positif dalam vakum melalui lensa elektromagnetik. Anda dapat mengoperasikan perangkat ini dalam mode elektron sekunder (SE) yang ideal untuk citra topografi permukaan atau mode elektron pantulan (BSE), yang memungkinkan kontras nomor atom.
• Spektroskopi Dispersif Energi (EDS): Semburan elektron insiden ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi elemen seperti tembaga, klorin dan bromin.
• Semburan Ion Fokus (FIB): Dengan teknik ini, Anda dapat memperbesar permukaan dengan resolusi tinggi dan kemudian membuat potongan lusin tipis untuk mendapatkan citra 3-D.
• Mikroskopi Elektron Transmisi (TEM): Sistem ini, yang bekerja mirip mikroskop cahaya, dapat mengidentifikasi fase material dan menentukan struktur kristalografi.
• Spektroskopi Fotoelektron Sinar-X (XPS): Kadang-kadang disebut spektroskopi elektron untuk analisis kimia (ESCA), metode ini adalah teknik analisis permukaan yang dapat mengidentifikasi senyawa kimia.
• Spektroskopi Inframerah Transformasi Fourier (FTIR): Teknik ini menganalisis konstituen organik dan menciptakan spektrum bacaan intensitas dan panjang gelombang.
• Kromatografi Ion: Proses ini, yang dapat berupa kromatografi pertukaran anion atau kation, memisahkan ion dan molekul polar.

 

Tes Resistansi Filamen Anoda Konduktif

Melakukan tes resistansi CAF pada papan membantu memastikan kualitas dan keandalan keseluruhan. IPC, asosiasi perdagangan untuk industri papan sirkuit dan perakitan elektronik, memiliki prosedur tes standar untuk resistansi CAF berjudul IPC-TM-650 Method 2.6.25A. Penggunaan metode tes standar memungkinkan penilaian resistansi CAF yang mudah dipahami dan dapat dibandingkan.

Untuk tes ini, Anda dapat menggunakan desain kupon standar IPC seperti IPC-9253 dan IPC-9254, yang memiliki 10 berlapis dan dimensi sekitar 125x175 milimeter, serta IPC-9255 dan IPC 9256. Beberapa produsen peralatan asli juga menggunakan desain kupon mereka sendiri. Saat menguji laminat untuk performa CAF, Anda harus menggunakan beberapa desain yang memiliki rentang jarang fitur, tata letak dan ukuran lubang.

Metode tes IPC merekomendasikan penggunaan setidaknya 25 papan tes per sampel lot per tingkat bias, yang menyediakan 4.200 titik kegagalan CAF linier ke lubang potensial dan 7.800 situs kegagalan CAF diagonal ke lubang potensial untuk setiap sampel dan kondisi.

Metode tes IPC melibatkan pengujian papan ini di bawah suhu tinggi sekitar 65 atau 85 derajat Celsius (149 hingga 185 derajat Fahrenheit) dan kondisi kelembaban tinggi 87 persen kelembaban relatif (RH). Setelah Anda menerapkan 100 volt arus langsung untuk mendapatkan pengukuran resistensi insulasi awal, sampel melalui 96 jam kondisi suhu dan kelembaban, diikuti oleh putaran pengukuran resistensi insulasi lainnya.

Kemudian, sampel melalui setidaknya 500 jam pengujian dengan bias tegangan yang terus menerap. Ambil pengukuran resistensi tinggi setiap 24 hingga 100 jam selama waktu ini. Setelah 500 jam, ambil satu set pengukuran resistensi insulasi lainnya.

Setelah tes, Anda meninjau data untuk penurunan yang signifikan atau penyekatan resistensi tinggi. Jika papan gagal dan Anda mencurigai ini adalah kegagalan CAF, Anda dapat melakukan analisis kegagalan menggunakan metode tes seperti yang tercantum di atas untuk mengonfirmasi penyebab.

Tes akan memberikan Anda persentase tingkat kegagalan pada 500 jam untuk setiap jarang. Anda dapat menggambarkan hasil tes dalam hal resistansi CAF atau kualitas CAF. Resistansi CAF berfokus pada menentukan apakah sistem bahan rentan terhadap pembentukan CAF dan tidak menekankan cacat. Kualitas CAF adalah model tingkat kegagalan bahan dan dapat mencakup kegagalan berbasis cacat.

 

Bahan PCB Tahan CAF dari Millennium Circuits Limited

Resistensi terhadap CAF harus menjadi perhatian utama untuk setiap proyek papan sirkuit cetak.

Seiring PCB semakin kecil dan fitur harus ditempatkan lebih dekat, risiko pembentukan CAF meningkat. Untuk papan yang digunakan dalam kondisi tertentu dan dalam aplikasi di mana keandalan krusial, performa CAF sangat vital.

Itulah mengapa semua bahan yang disediakan Millennium Circuits Limited tahan terhadap CAF. Kami menawarkan berbagai variasi bahan, sirkuit fleksibel dan rigid-flex serta finishing permukaan serta papan daya dan termal tinggi. Kami juga menyediakan layanan engineering, termasuk penciptaan panel, pemeriksaan aturan desain dan pemodelan impedansi terkontrol. Kami menangani pesanan dari ukuran apa pun, dari prototipe hingga pesanan volume tinggi dengan waktu pengiriman cepat.

Untuk produk berkualitas tinggi, layanan pelanggan yang baik, pengiriman tepat waktu yang terpercaya dan harga yang kompetitif, percayakan Millennium Circuits Limited untuk semua kebutuhan PCB Anda. Jelajahi situs web kami untuk mempelajari lebih lanjut tentang kemampuan kami. Anda juga dapat menghubungi kami dengan pertanyaan apa pun yang mungkin Anda miliki dan minta penawaran cepat dengan mengisi formulir online ini.

 

Minta Penawaran Gratis