这两天帮一个朋友分析硬件问题,再一次遇到了神秘现象。
一款小型化的模块产品,在老化的过程中出现了一定数量的不良品,不良现象为无法通信,把主芯片更换一下会好,再换回来也没问题,初步定为为焊接不良。
然而,一次不小心,只是用风枪吹了一下模块,模块就神奇的回复正常了。
也许你也遇到过这样的情景,当你用风枪把模块吹正常后,使用了一段时间后,它又不正常了。
还有,你可能怀疑某两个引脚短路了,但无论正面反面,一番查找,也没有看到有什么黏连的地方,用万用表一测,滴的一声,待到你去看仪表屏幕时,它居然又是断开的了。
如果大家在工作中遇到这样的情况,请关注我,接下来我给大家解开这个谜题。
首先,上面的现象通常会发生在多层板,高密度板中,单面板往往很少出现这样的问题。其实,这是一个典型的 CAF 问题。CAF 是什么呢?
什么是 CAF?
CAF,全称为导电性阳极丝(CAF:Conductive Anodic Filamentation), 指的是PCB内部铜离子从阳极(高电压)沿着玻纤丝间的微裂通道,向阴极(低电压)迁移过程中发生的铜与铜盐的漏电行为。
如下图片,对两个相邻的两个过孔进行纵向研磨,置于电子显微镜下放大100倍,板材呈黯淡颜色,亮金色部分则为铜,可以看到在两个过孔间,有铜点、铜丝存在。
这些铜丝非常细微,用X 光也看不到的,我们只能一层一层的研磨,然后使用显微镜来观察。
想象一下,如果你的两个相邻的过孔之间出现了一个细小的铜丝,你的电路板会发生什么情况?
如果是电源和地的过孔发生 CAF,那么你的板子的静态功耗就会变大了,能变多大取决于这根细铜丝有多粗了。
如果是两个通信引脚之间发生 CAF,那么你的通信质量将下降,神秘的现象就出现了。
为什么会出现 CAF?
我们知道,目前大部分的电子设备的基板选择的是 FR4,这种板材的中文名称更直接一些,叫玻纤板。
常规的玻纤板是由玻璃丝编制成的玻璃布,然后涂上环氧树脂半固化后制成的。如果你对这种结构没有认知,可以拉起衣服仔细看看,没错,就跟你的衣服一样,纵横交错的细线编制出来的结构。
树脂与玻纤之间的附着力不足或含浸时胶性不良,两者之间容易出现间隙,加之在钻孔等机械加工过程中,由于切向拉力及纵向冲击力的作用对树脂粘合力的进一步破坏,可能造成玻纤束被拉松或分离而出现间隙。
在高温高湿的环境下,环氧树脂与玻纤之间的附着力更加出现劣化,并促成玻纤表面硅烷偶联剂化学水解,沿着玻纤增强材料形成可供电子迁移的通路;
通俗来讲,你可以想象成盖楼房时,我们已经把钢筋骨架绑好了,现在要浇灌水泥了,浇灌的过程中存在不均匀,水泥不均匀固化不一致,挨着钢筋的地方缩水了,没有和钢筋紧密的贴合,留了一个缝隙。又或者,房子盖好了,你要在墙壁上打一个洞,钻孔的时候不小心钻到了钢筋上面,由于挤压震动,原本钢筋水泥结合完美的地方,硬生生的被你震动出一条缝隙来。
所以,在我们的 PCB 板中来看,就是环氧树脂和玻璃纤维之间出现了一条缝隙。
如上图,黄色部分的两条竖井就是我们 PCB 上面的过孔,指示的玻纤部分就是横向的玻璃纤维,纵向的在上面图中应该是一些圆点,没有画出来。
那么如果出现 CAF 现象,那会是怎么样的呢?
可以想象,沿着玻纤的轨迹,在两个过孔之间就形成了一条通道,铜离子或者同氧化物就会沿着这条通道迁移,两边同时迁移,最终在中间的某一个位置相遇相知相交,你的板子就此形成了短路。
哪些条件会触发 CAF 发生
首先,我们必须有一个通道,沿着玻纤的一条裂缝,这一点的产生,我们在上面已经讲过了。
CAF 出现的位置有哪些?
如何避免 CAF 的发生。
首先,我们可以想办法避免通道的产生,比如选用质地更好的板材,结实点的,不吸水的,可以选择 Tg 值高的。一般的板厂是可以选择抗 CAF 板材的。另外对于板厂的工艺也需要关注,比如钻孔的工艺,就像我们在墙上打孔一样,看手艺,大厂的设备好,工艺规范肯定一致性好,手工打孔肯定不行。
如果有很多个引脚扇出孔,为了让过孔间距更远,那么应该交错的排列所有过孔。
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