CAF(电路板微短路)形成的可能原因与改善对策

之前公司的产品有发生【电路板内层微短路现象】，经过追查后发现是CAF(Conductive Anodic Filament)，中文称为「导电性阳极细丝物」或「阳极性玻璃纤维丝漏电现象」，不过直译的话应该没有几个人弄得清楚这是什么东东吧？CAF其实就是电路板内层或防焊绿漆层内的微短路现象。

因为这个问题一直萦绕在深圳宏力捷的心头挥之不去，随着时间的推演，再加去上了一些关于PCB制程的课程，并与更多的PCB业者讨论后，深圳宏力捷最近归纳出一些关于CAF的心得放在这里给大家参考。

深圳宏力捷不是专家，所以请有经验的朋友也请提供经验分享，让大家多多了解CAF的影响。

CAF的形成原理

参考最上面的图示说明CAF的性形成过程，CAF是指对印刷电路板施加了直流电压并放置于高湿度环境中，在层到层间(Layer to Layer)、线路到线路间(Line to Line)、孔到孔间(Hold to Hole)或孔到线路(Hole to Line)，居高电位阳极的铜金属会先氧化成Cu+或Cu++离子，并沿着已存在的不良通道之玻璃纤维纱束向阴极慢慢迁移生长，而阴极的电子也会往阳极移动，路途中铜离子遇到电子即会还原成铜金属，并逐渐从阳极往阴极蔓延成生铜膜，故又称之为「铜迁移」。

很多人第一次遇到CAF的现象会一直被其不断重複出现的行为所困扰，因为一旦CAF完成了通路导电后，却又会不时遭到高电阻的焦耳热所烧断，所以使用电表离量测CAF时会发现时好时坏的现象，量测数值也会一直漂移，在特定条件未消失前，CAF的戏码将会一再的重複出现在同一个位置。

综上所述，要形成CAF缺陷必须要下列五种失效条件同时具备时才会发生，也就是要有绝对的天时地利人和才能产生CAF，所以说意外绝非偶然，就是一连串的错误所形成的：

1、水气（大气环境中无法避免）

2、电解质（似乎难以清除）

3、露铜（电路板内以铜箔当基材，所以无法避免）

4、偏压（电路设计之必然，所以无法避免）

5、通道（看来就只能对此参数做改善了）

金属离子在电场作用下在非金属介质中发生电化学迁移(ECM，Electro Chemical Migration)反应，从而在电路的阳极、阴极间形成一个导电通道而导致电路短路

阳极：Cu → Cu2++2e–    (Copper dissolved at anode)

            H2O →  H++OH- 

阴极： 2H++2e– → H2

             Cu2++2OH– → Cu(OH)2

             Cu(OH)2 → CuO+H2O

             CuO+H2O → Cu(OH)2 → Cu2++2OH–

             Cu2++2e– → Cu  (Copper deposited at cathode)

一般认为，离子迁移分为两个阶段：第一阶段，树脂和增强材料在湿气的作用下，增强材料的硅烷偶联剂化学水解，即在环氧树脂/增强材料上沿着增强材料形成CAF的洩露通道路（leakage path）,此阶段属可逆反应；第二阶段，在电压或偏压的作用下铜盐发生电化学反应，在线路图形间沉积形成导电通道，使线路间出现短路，此阶段为不可逆反应。

要如何才能防止或解决CAF的发生呢？

想要解决或防止CAF发生，其实可以从上述的五个必要条件来着手，只要消灭其中任何一个条件就可以防止其发生。

1. 提高电路板材料在Anti-CAF方面的能力

电路板板材的选用其实对防护CAF的发生非常的重要，但是通常一分钱一分货，一般要有高CAF防护能力的基材都需要特别要求订作，底下是选用电路板基材防CAF的建议：

减少材料中的不纯离子含量。

玻纤布被树脂充分浸渍结合良好。 

电路板的基板制作时会先将多捆的玻璃纤维束编织成布，然后引入树脂槽当中浸渍，再逐渐拉起或拉出沾有树脂的玻璃纤维布，目的是要让树脂可以充填到玻璃纤维束的缝隙当中，如果这个阶段的参数设定不好就容易在玻璃纤维束形成空隙，让CAF有隙可乘。

使用低吸湿性树脂。 相关阅读文章：PCB板材的结构与功用介绍

2. PCB layout Design 在偏压和孔间距的规避

电路板的通孔、线路尺寸位置与堆迭结构设计对CAF也会产生绝对性的影响，因为所有的要求几乎都来自设计。随着产品越做越小，电路板的密度也越来越高，但是PCB制程能力有其极限，当有直流偏压(bias voltage)的相邻线路距离越小时，其发生CAF的机率也就越来越高，基本上偏压越高或距离越小，CAF的机率就会越高。

依照目前电路板厂商所提供的资讯显示，下面是大部分电路板厂商针对CAF防护所建议的PCB尺寸设计值：

孔到孔边距离(最小)：0.4mm

孔到线距离(最小)(Drill to Metal)：12mil (0.3mm)

孔径建议：0.3mm

另外，根据实际经验发现，CAF的通道(gap)几乎都是沿着同一玻璃纤维束发生，所以如果可以将通孔或焊垫的排列方式做45度角的交叉布线将有助将低CAF的发生率。

3. PCB制程中Wicking的管控

在PCB的机械钻孔或雷射烧孔时会产生高温，超过树脂(resin)的Tg点，会融溶并形成胶渣，此胶渣会附着于内层铜边缘及孔璧区，最造成后续镀铜时接触不良，所以在镀铜前必须先进行除胶渣(De-smear)作业，而除胶渣的首站就必须使用蓬松剂(sweller)经1~10分钟之浸泡处理，让各种胶渣发生肿胀松弛，以利后续Mn+7的顺利攻入与咬蚀。但是除胶渣作业也会对通孔造成一定的咬蚀并出现可能的渗铜(wicking，芯吸)现象，有些电路板业者为了加速蓬松作业会把蓬松槽的温度调高，以致造成蓬松剂过度拉松介面，引发后续的铜迁移现象。

IPC-A-600有规定渗铜(Wicking)的允收标淮如下：

Class 1，渗铜不可超过125µm (4.291 mil)

Class 2，渗铜不可超过100µm (3.937 mil)

Class 3，渗铜不可超过80µm (3.15 mil) 

只是随着科技的进步，0.1mm (100µm)的渗铜似乎已不符合实际需求，以0.4mm孔到孔边距离来看，扣掉渗铜的尺寸，距离就只剩下0.4-0.1-0.1=0.2mm了，以现在电路板业者的制程能力来说，应该都可以控制渗铜在 50µm (2mil) 以下才对。相对地，系统厂在Layout电路板的孔到孔的距离也缩小到了100µm (4mil)，这对CAF防治真的是一大考验。

另外，在PCB的机械钻孔作业时，如果进刀速度太快，或是铣刀超过使用寿命，也容易因为铣刀的外力而撕开玻璃纤维产生缝隙。

4. PCB 加工过程中防水湿气的管控

在电路板组装(PCB Assembly)作业中的锡膏印刷、零件贴附、高温回焊等都可能会在电路板上留下一些污染物，这些污染物可能有焊料、胶类、灰尘、结露等容易发生电解的物质，都有可能造成电化迁移的现象，可以使用密封胶来封闭可能产生空隙形成CAF的交界处，以防止水气的渗入。