最近碰到一個PCB漏電的問題，起因是一款低功耗產品，本來整機uA級別的電流，常溫老化使用了一段時間后發現其功耗上升，個別樣機功耗甚至達到了mA級別。仔細排除了元器件問題，最終發現了一個5V電壓點，在產品休眠的狀態下本該為0V，然而其竟然有1.8V左右的壓降！耐心地切割PCB線路，驚訝地發現PCB上的兩個毫無電氣連接的過孔竟然可以測試到相互間幾百歐姆的阻值。查看該設計原稿，兩層板，過孔間距焊盤間距>6mil，孔壁間距>18mil，這樣的設計在PCB行業中實屬普通的鉆孔工藝。洗去油墨，排除油墨或孔表層的雜質導電問題，實測過孔間阻值依然存在！百思不得其解一段時間后，才發現原來是“CAF效應”導致的漏電問題！

 

 

什么是CAF效應：

 

CAF，全稱為導電性陽極絲(CAF：Conductive Anodic Filamentation)， 指的是PCB內部銅離子從陽極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過程中發生的銅與銅鹽的漏電行為。

 

如下圖片，對兩個相鄰的兩個過孔進行縱向研磨，置于電子顯微鏡下放大100倍，板材呈黯淡顏色，亮金色部分則為銅，可以看到在兩個過孔間，有銅點、銅絲存在。

 

 

CAF產生的機理：

 

1. 常規的FR4 PCB板材是由玻璃絲編織成玻璃布，然后涂環氧樹脂半固化后制成。樹脂與玻纖之間的附著力不足或含浸時膠性不良，兩者之間容易出現間隙，加之在鉆孔等機械加工過程中，由于切向拉力及縱向沖擊力的作用對樹脂粘合力的進一步破壞，可能造成玻纖束被拉松或分離而出現間隙。在高溫高濕的環境下，環氧樹脂與玻纖之間的附著力更加出現劣化，并促成玻纖表面硅烷偶聯劑化學水解，沿著玻纖增強材料形成可供電子遷移的通路；

 

 

2. 基于上面的條件，此時距離較近的兩個過孔若存在電勢差，那么電勢較高的陽極上的銅會被氧化成為銅離子，銅離子在電場的作用下向電勢較低的陰極遷移，在遷移過程中，與板材的雜質離子或OH-結合，生成了不溶于水的導電鹽，并沉積下來，由此兩個絕緣孔之間的電氣間距急劇下降，嚴重的甚至可以直接導通形成短路。

 

陽極：

Cu → Cu2++2e–

H2O → H++OH-

 

陰極：

2H++2e– → H2

Cu2++2OH– → Cu(OH)2

Cu(OH)2 → CuO+H2O

CuO+H2O → Cu(OH)2 → Cu2++2OH–

Cu2++2e– → Cu

 

在還沒有意識到CAF效應導致的不良之前，我對于相互絕緣的兩個過孔間出現阻值的現象感到不可思議，后來經過資料查詢，才發現許多同行也為這個問題困擾過，甚至CAF效應已經是PCB業內一個較為熱門的可靠性問題之一！

 

如何防止或減少CAF的發生？

 

1. 提高板材在抗CAF方面的能力。對于電路板基材工藝，可以從提高材料中離子純度、使用低吸濕性樹脂、玻璃布被樹脂充分浸泡結合良好等方面進行提高。對于應用端的工程師，在板材選型時，可以考慮使用耐CAF板材。如下板材供應商生益的板材選型中，就有耐CAF的板材可供選型。

 

 

2. PCB的機械鉆孔或鐳射燒孔會產生高溫，超過板材的Tg點時會融溶并形成殘渣，這些殘渣附著于孔壁會造成鍍銅時接觸不良，因此在鍍銅前必須進行除渣作業，除渣作業中的浸泡處理會對通孔造成一定的侵蝕并可能帶來滲銅問題，使后續的銅遷移現象更加容易；

 

3. PCB設計時，增加通孔間距，另外，由于CAF通道幾乎沿著同一玻璃纖維束產生，因此，將相鄰的通孔交叉發布有助于降低CAF的發生；

 

 

 

4. 對PCBA進行表面清潔處理，例如使用高壓氣槍進行灰塵清理，避免雜質殘留導致不必要的雜質發生電解。另外，在PCBA表面涂覆三防漆，避免水汽的侵入，特別是在高溫高濕的地理環境。

 

 

對于這個CAF問題導致的漏電問題，從一開始的困擾到后面的豁然開朗，這其中有兩點讓我有了更深的體會：

 

1. 對于一個bug現象的存在，當自己感到不可思議時，也請保持一種客觀的態度面對，因為當前現象與已有認知的相去甚遠，很可能只是你的知識體系里有盲區而已。碰到CAF現象時，我向PCB產商拋出“相互絕緣的過孔間為什么會有阻值存在”的問題，產商也覺得不可思議，但對方基于“自己做了幾十年的板子也沒有客戶反應過這個問題”的經驗性思維，始終沒能客觀地面對這個問題的存在，在這個前提下，即使有再好的配合力度，所謂的驗證也就只能停留在了自證自己材料、制程屬于行業規范的層面上，但CAF對于目前PCB行業來說本來就是一個無法100%規避的問題。由此迫使我找第三方的廠家進行剖片分析，顯而易見地看到孔間的銅后，該問題才有了不容反駁的定論；

 

2. 應用端的電子工程師，對電子器件的認知，除了能用、會用的能力之外，還要對其基礎材料有所認知。如同每天都在和電容、電阻、電感等器件打交道，但對于這些器件的制作工藝、基礎材料組成卻是有很多人都不自知的，而這正是這些器件電氣特性的根本所在。

 

本文參考文獻傳送門：

http://www.anytesting.com/news/543325.html

《PCB漏電流失效案例分析》

http://www.edadoc.com/cn/TechnICalArticle/Show.aspx?id=1239

《談談鉆孔間距對產品可靠性的影響》

https://mp.ofweek.com/ee/a345673623826

《印制電路板CAF失效研究》

http://www.researchmfg.com/2014/12/caf/

《電路板內微短路現象》

https://www.researchmfg.com/2015/08/caf-cause-solution/

《CAF形成的原因及改善對策》

http://www.researchmfg.com/2016/06/3d-x-ray-ct/

《3D X-Ray CT非破壞性立體掃描分析PCBA不良》