PCB CAFトラブルシューティングガイド

プリント基板の故障モードは、2つに分類されます。

機械的故障
電気的故障

しかし、隠された宝のような第3の故障も存在する。それは「電気化学的故障モード」である。つまり、この故障はCAF(Conductive Anodic Filament)と呼ばれるもので、水分の存在下で銅の間に起こる電気化学反応によって発生するものである。 PCBA と樹脂系で構成されたプリント基板です。以下のコンテンツでは、FSテックがCAFの故障の原因、検出方法、解決方法について詳しくご紹介します。

CAFとは

CAFは、以下のように考えられています。 系 PCBAの故障 は電気化学的マイグレーションの結果であり、このプロセスはCAF形成と呼ばれます。このプロセスは電圧によって進行し、ある条件下では酸化銅と亜銅酸塩を形成します。これらの酸化物や塩は導電性であり、PCB基板内で成長します。このプロセスでは、銅塩導電性フィラメントがPCB内で形成され、誘電体材料内のエポキシに沿って、すなわち陽極から陰極へと発展していきます。CAFが成長するための最も有利な条件の一つは、PCB内にボイドが存在し、タイトな織り方で低樹脂が存在する場合です。この故障モードは、PCBに致命的な影響を与え、PCBの故障につながる可能性があるため、専門家の間で懸念が高まっています。

プリント基板に含まれる、電気化学反応を起こす3つの物質。

銅
PCB 製造時に使用された水などの揮発性薬品が PCB 基板に吸収された場合。
樹脂系の分解、および陽極に近いボイドによるもの。

があります。 シーエーエフの形成 は、次の2点で説明できます。

樹脂ガラスの劣化
電気化学的マイグレーション

CAFが発展するための条件として、以下のようなものがあります。

電気化学セルが形成されるためには、電荷を運ぶキャリアが存在する必要があります。
水、湿度などの環境条件による可能性があります。
電気化学反応を駆動する可能性のある電圧
CAFの成長が陽極から陰極へ移動するためには、CAFの形成に特定の経路が必要です
その他、高湿度、高温、はんだフラックス含有量、カソードとアノード間の高電圧勾配など。

CAFの検出

一旦CAFが発生すると、その後は困難な問題となり、研究が困難となり PCBAテストというのも、PCBの中間層で増殖することがあるからです。技術の進歩に伴い、現在ではPCB基板にCAFが成長しているかどうかを確認するための様々な試験方法が存在します。中でも「表面絶縁抵抗（SIR）」試験は、IPC規格に準拠した電気的な試験方法です。一般的に、SIRには以下の2種類のテストが含まれます。

IPC 電気化学的マイグレーション試験（Electrochemical Migration Test）。この試験は、PCB表面基板を通過する電流の流れに提供される抵抗の測定が含まれています。
温湿度バイアス試験：処理温度、電圧バイアス、相対湿度のみを考慮したシンプルな試験です。

CAFをテストし、PCBにおけるCAFの形成を画像化するためのテスト方法がさらにあります。これらのテストには

エネルギー分散型分光器（EDS）：電子ビーム銃を用いて電子ビームを照射し、銅、臭素、塩素などの元素を識別する。∙ 集束イオンビーム（FIB）。集束イオンビーム（FIB）：高分解能で表面を拡大するために使用される方法。
透過型電子顕微鏡(TEM)。PCBAに含まれる材料の結晶構造の検出や他の相の同定に使用されます。光学顕微鏡の原理を応用したシステムです。
X線光電子分光法 (XPS)。この技術は化学分析のための電子分光法（ESCA）としても知られ、この技術は通常PCBAの表面の化学化合物を検出するために使用されます。一般的に、この方法はPCBAの表面を分析するために使用されます。
FTIR（Fourier Transform Infrared Spectroscopy：フーリエ変換赤外分光法）。PCBA基板に含まれる有機成分を調べ、波長と強度のスペクトルを生成する方法です。イオンクロマトグラフィーイオンを分離する方法で、イオン交換クロマトグラフィーと呼ばれることもあります。

CAFの失敗を回避する方法

CAFの失敗の可能性を減らすために取るべき行動はいくつかあります。このCAFの失敗に対する解決策は現在も模索中ですが、CAFの作成を可能にする状況を回避することが助けになります。以下は、その考え方の一例です。

水分・湿度

CAFが成長するためには、水分や湿気が必要です。つまり、水分が多くなるとPCBAのCAFが故障する可能性が高くなります。したがって、水分量に注意を払い、できるだけ効率的に水分を取り除くことが重要です。

酸の混入。

PCB製造の工程では、PCB基板に酸が残留することがあり、この残留した酸をよく洗浄しないと、通常CAFの増殖につながります。そのため、PCBAはよく洗浄し、あらゆる種類の酸を除去することが重要です。

バイアスと電圧。

先に述べたように、電気化学反応を駆動するために必要な力があり、ここではバイアスや電圧が、好ましい環境下でのCAFの形成を助ける力となる。

素材です。

基板を構成する材料もまた、CAF不良の重要な原因のひとつです。CAFの発生と故障を減らすための最も効果的な戦略の1つは、CAFに強い材料を使用することです。ラミネート材料について行われた様々な研究により、CAF故障に対する脆弱性が測定されました。その結果、最もCAFに強い材料は "ビスマレイミド・チアジン（BT）"であり、一方、最も脆弱なのは "MC-2 "であることが判明しました。要するに、耐熱性の高い積層板がCAF発生に最も強いということです。

デザインです。

また、プリント基板の設計と製造もCAF耐性に影響を与える重要な要素です。電圧バイアスのかかったフィーチャー間のギャップが大きいプリント基板は、ギャップが小さいプリント基板に比べて故障が少なくなりますが、これはCAF形成の第二段階にのみ影響すると考えられています。CAF抵抗は、穴と穴の間隔、線と線の間隔に加え、ドリル穴の大きさ、メッキスルーホールの銅の厚さにも影響される。電圧特性がより偏ると、CAF形成の確率が高くなります。

もっと知りたいPCBAコンテンツ

CAFの故障は、回路基板の一般的な問題の一つに過ぎない。故障の原因には、フラックスの不規則な使用、PCBの未洗浄、組立の問題等も含まれます。以下をお読みいただき、プリント基板製造や組立の問題解決にお役立てください。

PCBフラックスの使用方法に関するチュートリアル

プリント基板洗浄ステップ

プリント基板のよくある問題集