CAF – kde se tu vzala měď?

V tomto článku bych se rád zaměřil na problematiku desek plošných spojů známou pod odborným termínem CAF (Conductive Anodic Filament). CAF se vyskytuje v substrátu základního materiálu, když zde vznikne měděné vlákno, které v laminátu vytvoří vodivé spojení mezi dvěma přilehlými vodiči (obr. 1). K tomu dojde tehdy, když se z jednoho vodiče na desce stane katoda a z druhého anoda – měď začne mít tendenci mezi nimi migrovat. Pokud tuto situaci povolíme vinou nedůsledné kontroly v procesu výroby (čištění mezi jednotlivými procesními kroky, skladování základních materiálů) nebo nevhodného návrhu desky, je jen otázkou času, kdy nám na desce vznikne zkrat.

CAF je noční můra všech inženýrů v PCB průmyslu, protože se může stát potencionálním zdrojem elektrických chyb výrobku. Při současném trendu, kdy je kladen důraz na zmenšování velikosti desek, nabývá tato problematika stále více na důležitosti.

Obr. 1 Vizualizace podmínek nutných k migraci

S defektem na desce se můžeme setkat celkem ve čtyřech podobách:

––mezi dvěma prokovy

––mezi dvěma cestami plošného spoje

––mezi prokovem a cestou plošného spoje

––mezi dvěma vrstvami desky

Měď má nejčastěji tendenci migrovat mezi dvěma prokovy (obr. 2 a 3).

Obr. 2 Příklad migrace mědi mezi dvěma prokovy – pohled v řezu

Dalo by se říci, že pro migraci mědi jsou klíčové dvě fáze. V první fázi probíhá degradace základního materiálu (pokud se bavíme o FR4 – skelné pryskyřici), zatímco ve druhé fázi již nastává samotný elektromigrační proces. Aby mohly vzniknout obě fáze, musí pro ně nastat specifické podmínky, jako jsou vysoká vlhkost vzduchu, vysoké přepětí během testování, velká vlhkost materiálu, ionická kontaminace a vysoké procesní teploty (díky bezolovnatému pájení).

Obr. 3 Příklad migrace mědi mezi dvěma prokovy – pohled v řezu

Odhalit nastávající problém je velmi těžké, protože defekt, migrace mědi, se projeví pouze za určitých podmínek a až po nějaké době. Z toho vyplývá, že při E-testu u výrobce nebo při ICT testu u zákazníka se CAF nemusí projevit. Problém se může ukázat až po týdnech či měsících používání dané desky. Nedílnou součástí vzorkování nových PCB se stává celá řada testů, ať už je to CAF500, nebo CAF1000, které se snaží simulovat určité podmínky při používání – např. 85 C / 85 % RH / 50 V pro 500/1000 hodin. Protože v sériové výrobě není možné tyto testy aplikovat, je výroba závislá na dodržení kontrolních postupů tak, aby byly zachovány stejné podmínky a parametry jako při posledním vzorkování. Tato situace je ale spíše teorií, protože v praxi výrobci často podcení některý z výrobních procesů, což se v důsledku může promítnout do aplikace až o několik týdnů později.

Když se nám takový výrobek dostane do ruky, není vůbec snadné určit přesnou příčinu problému. Pokud máme podezření na migraci mědi, je potřeba nejprve důkladně zkontrolovat tažení plošných spojů, které jsou na sebe navzájem zkratované, a vytipovat si místa, kde jsou k sobě nejblíže. Nejvhodnější je začít s nedestruktivní analýzou, například s XRF (X-ray fluorescence), což je spektroskopická metoda analytické chemie, nebo s TEM (Transmission electron microscopy). Teprve potom se doporučuje přejít k samotnému řezu, který by fyzicky potvrdil nebo vyvrátil zkrat.

Ani jedna z těchto metod nepředstavuje bohužel 100% garanci nalezení příčiny problému, jelikož se bavíme o částečkách v řádech mikronů, které je velmi obtížné lokalizovat. Nezbývá než se zaměřit na prevenci:

––Výrobce desek i pryskyřice musí zajistit nízký obsah ionických nečistot. V případě výroby desek se musí klást vysoký důraz na čištění jednotlivých vrstev a kontrolovat čisticí cykly.

––Vysoký obsah nečistot v materiálu může mít za následek migraci mědi také, a to bez ohledu na okolní vlhkost.

––Vlhkost hraje zásadní roli v celé kauze. Vnitřní a vnější vrstvy musí obsahovat nízké množství vlhkosti, protože ta může působit jako elektrolyt. Pryskyřice musí mít nízkou absorpci vlhkosti, aby byla odolnější vůči tomuto defektu.

––Pevnost vazby skelných vláken má také vliv. Výrobce základního materiálu musí zlepšovat proces tak, aby dosáhl vysoké pevnosti vláken, což vytvoří pevnější stěny otvorů (prokovů) během jejich vytváření (mechanické vrtání, vrtání laserem, …).

––Návrh desky má rovněž vliv na migraci mědi. Je jasné, že vzájemná vzdálenost plošných spojů je klíčová – čím blíže jsou plošné spoje k sobě, tím menší vzdálenost musí měď překonat, aby spojila oba vodiče.

Současný trend zmenšování desek nás bude čím dál častěji stavět před podobné výzvy, a je tedy důležité se více než kdy dříve zaměřit na prevenci proti CAF defektu. I ta ovšem není bez problematické odezvy – prevence sice vede ke zlepšování procesu, ale také ke zvyšování nákladů, což se neslučuje s požadavky zákazníků. Nicméně CAF tu je, byl a i nadále bude, a tak je potřeba mít tento efekt na paměti, a to zejména ve fázi vývoje projektu.