CAF-Versagen bei PCB: Ursachen, Mechanismus und Prävention

Der Ausfall von Conductive Anodic Filament (CAF) ist eines der schwierigsten Probleme bei der Zuverlässigkeit von Leiterplatten, da es sich um latent, progressiv und oft unsichtbar bei der Standardinspektion.

Im Gegensatz zu unmittelbaren elektrischen Defekten entwickelt sich CAF unter bestimmten Umwelt- und elektrischen Bedingungen langsam, was es zu einem kritischen Problem für hochzuverlässige Anwendungen macht.

Dieser Artikel erklärt:

• Was CAF ist
• Wie sie entsteht
• Warum ist es schwierig zu erkennen
• Wie Leiterplattenhersteller das CAF-Risiko verringern

Was ist CAF (Conductive Anodic Filament)?

CAF ist das Wachstum einer metallische Leiterbahn zwischen benachbarten Kupfermerkmalen innerhalb einer Leiterplatte.

Es bildet sich typischerweise:

• Entlang von Glasfaserschnittstellen
• Zwischen eng beieinander liegenden Leitern
• Unter elektrischer Vorspannung und Feuchtigkeitseinwirkung

Einmal gebildet, kann CAF Kurzschlüsse oder Leckagepfade erzeugen.

Warum CAF ein ernsthaftes Zuverlässigkeitsrisiko darstellt

CAF-Ausfälle sind gefährlich, weil sie:

• Erscheint lange nach der Herstellung
• intermittierende oder plötzliche elektrische Kurzschlüsse verursachen
• sind unter Laborbedingungen schwer zu reproduzieren

Viele Ausfälle im Feld wurden darauf zurückgeführt, dass CAF alle anfänglichen elektrischen Tests bestanden hat.

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Erforderliche Bedingungen für die CAF-Gründung

Das CAF tritt nicht zufällig auf. Es müssen mehrere Bedingungen gleichzeitig gegeben sein.

Anwesenheit von Feuchtigkeit

Feuchtigkeit ermöglicht den Ionentransport im Inneren der Leiterplatte.

Zu den Quellen gehören:

• Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit
• Unzureichende Materialtrocknung
• Schlechte PCB-Lagerungsbedingungen

Elektrische Vorspannung

Das CAF-Wachstum erfordert ein Spannungspotenzial zwischen den Leitern.

Szenarien mit höherem Risiko:

• Hochspannungsdesigns
• Konstante DC-Vorspannung
• Enge Leiterabstände

Anfällige Materialstruktur

CAF breitet sich häufig aus:

• Entlang von Glasfaser-Harz-Grenzflächen
• Durch harzarme Regionen
• In der Nähe von gebohrten Löchern oder Durchkontaktierungen

CAF-Wachstums-Mechanismus

Der CAF-Bildungsprozess verläuft in der Regel in folgenden Schritten:

1. Feuchtigkeitsaufnahme in das Dielektrikum
2. Auflösung von Metallionen an der Anode
3. Ionenmigration entlang der Faserwege
4. Filamentwachstum zur Kathode hin
5. Elektrischer Kurzschluss oder Leckagebildung

Dieser Prozess beschleunigt sich unter Temperatur- und Feuchtigkeitsstress.

Konstruktionsfaktoren, die das CAF-Risiko erhöhen

Konstruktionsentscheidungen haben einen großen Einfluss auf die CAF-Anfälligkeit.

Hochriskante Konstruktionspraktiken

• Minimale Leiterabstände
• Dichte Durchgangsstrukturen
• Glasfaserexposition beim Bohren
• Vias mit hohem Aspektverhältnis

Verbindung zur Design-Zuverlässigkeit:
PCB Qualität & Zuverlässigkeit Design Richtlinien

Produktionsfaktoren, die zum CAF beitragen

H3: Schäden beim Bohren

Mechanisches Bohren kann Glasfasern freilegen, wodurch bevorzugte CAF-Pfade entstehen.

Prozessvergleich:
PCB-Bohren vs. Laserbohren

Unzureichende Harzfüllung

Eine schlechte Harzverteilung hinterlässt Hohlräume, in denen sich Feuchtigkeit ansammelt.

Auswahl des Materials

Nicht alle Laminatsysteme haben die gleiche CAF-Beständigkeit.

Hoch CAF-beständige Materialien weisen in der Regel folgende Merkmale auf

• Verbesserte Harzchemie
• Bessere Faser-Harz-Haftung
• Reduzierte ionische Verunreinigung

Wie CAF erkannt wird

CAF ist bei einer Standardinspektion nur schwer zu erkennen.

Zu den Nachweismethoden gehören

• Hochbeschleunigte Stresstests (HAST)
• Prüfung des Isolationswiderstands (IR)
• Querschnittsanalyse nach dem Versagen

Überblick über die Tests:
PCB-Zuverlässigkeitstests erklärt

Verhinderung von CAF in der PCB-Herstellung

Qualifizierung von Materialien

• Auswahl CAF-beständiger Laminate
• Validierung von Materiallieferanten

Optimierung von Entwurfsregeln

• Vergrößerte Abstände für Hochspannungsnetze
• Gesteuert über die Platzierung

Verbesserungen der Prozesskontrolle

• Optimierte Bohrparameter
• Verbessertes Desmear und Harzfluss
• Saubere Produktionsumgebung

Hersteller wie TOPFAST beziehen die CAF-Risikobewertung sowohl in die Materialauswahl als auch in die Prozessplanung ein.

Beziehung zwischen CAF und anderen Fehlermodi

Der CAF tritt häufig nebeneinander auf:

• Delamination
• Über das Knacken
• Ausfall der Isolierung

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Schlussfolgerung

CAF-Versagen ist eine zeitabhängige Zuverlässigkeitsproblematik von den Umgebungsbedingungen, der elektrischen Vorspannung und der Materialstruktur abhängen.

Obwohl es schwierig ist, das CAF-Risiko auszuschalten, kann es durch folgende Maßnahmen erheblich verringert werden:

• Richtige Konstruktionsabstände
• CAF-beständige Materialien
• Kontrollierte Herstellungsprozesse

Das Verständnis des CAF ist für die Entwicklung und Herstellung zuverlässiger Leiterplatten für anspruchsvolle Anwendungen unerlässlich.

CAF-Ausfall in PCB FAQ