何廣舉

(康佳集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳518053)

關(guān)于導(dǎo)電性陽(yáng)極絲(Conductive Anodic Filament，CAF)的分析文章有很多，絕大多數(shù)是從基本原理或PCB加工工藝的角度進(jìn)行分析研究，而關(guān)于CAF失效表現(xiàn)的實(shí)例分析很少。對(duì)于一般常用電子產(chǎn)品如液晶電視，CAF逐漸累積直至失效，表現(xiàn)時(shí)好時(shí)壞，故障不穩(wěn)定，發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)比較集中，容易產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致反復(fù)維修;對(duì)于已經(jīng)確認(rèn)的CAF問(wèn)題，維修中多采用更換電路板的辦法解決，容易造成較大的損失。本文從CAF的實(shí)例表現(xiàn)入手，分析了這種失效的常見現(xiàn)象，總結(jié)了其失效的環(huán)境規(guī)律和電路特點(diǎn)，指出了電子產(chǎn)品預(yù)防CAF的簡(jiǎn)要措施，對(duì)于減少電子產(chǎn)品CAF問(wèn)題的發(fā)生以及減少其造成的損失具有重要的意義。

1 CAF的形成機(jī)理

1.1 什么是CAF

CAF［1］(Conductive Anodic Filament)即導(dǎo)電陽(yáng)極絲。導(dǎo)電陽(yáng)極絲是一種由于電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的失效類型。它是在20世紀(jì)70年代由貝爾等實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)的。這種失效模式是PCB內(nèi)部的一種含銅(Cu)的絲狀物從陽(yáng)極向陰極方向生長(zhǎng)而形成的陽(yáng)極導(dǎo)電性細(xì)絲物，簡(jiǎn)稱CAF。

ECM和CAF類似，ECM(Electro-Chemical Migration)即電化學(xué)性遷移現(xiàn)象，按IPC-9201之SIR Handbook(表面絕緣電阻手冊(cè))的說(shuō)法，是當(dāng)完成電路板或組裝板，長(zhǎng)久高溫高濕的惡劣環(huán)境中，且其相鄰導(dǎo)體間會(huì)出現(xiàn)偏壓(Bias)的情況下，會(huì)逐漸發(fā)生金屬離子性物體的遷移，并在板面上出現(xiàn)樹枝鹽類生長(zhǎng)的痕跡者(Dendrites)，稱為ECM。

簡(jiǎn)單看二者的區(qū)別:CAF發(fā)生在PCB內(nèi)部，而ECM發(fā)生在PCB表面;CAF呈金屬絲狀，而ECM呈樹枝狀。

1.2 CAF如何形成

CAF形成模式:CAF形成的過(guò)程可描述為Cu在通道中和電解質(zhì)反應(yīng)形成Cu+或者Cu++，在電壓差(電場(chǎng))的作用下Cu+/Cu++不斷地向低壓極(陰極)移動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程中又會(huì)有部分銅離子得到電子，被其中的雜質(zhì)還原成銅原子(Cu)，或者與雜質(zhì)結(jié)合成導(dǎo)電銅鹽，而停留在通道中。此過(guò)程不斷重復(fù)，銅和銅鹽在通道中向陰極不斷累積，通道兩端的絕緣電阻不斷下降，最終導(dǎo)致板件失效。

CAF的形成有5個(gè)必要條件:

1)必須具有可移動(dòng)導(dǎo)通的銅;

2)必須存在可讓銅被氧化的電解質(zhì);

3)必須存在電解質(zhì)溶解的水或者水汽;

4)過(guò)孔兩極之間必須存在能夠讓銅離子遷移的電壓差;

5)過(guò)孔兩極之間必須存在一個(gè)讓銅離子移動(dòng)的通道。

在這5個(gè)必備條件中，條件1)、4)無(wú)法避免;只有2)、3)、5)可控，第2)、5)項(xiàng)與PCB板材加工工藝關(guān)聯(lián);第3)項(xiàng)在北方內(nèi)陸地區(qū)不具備，因此北方干燥的地方很少出現(xiàn)CAF問(wèn)題。在高溫高濕的環(huán)境下，條件3)、5)容易形成，而在鹽霧環(huán)境，條件2)、3)、5)都可滿足。由于沿海的鹽霧環(huán)境不可避免，因此條件5)的控制非常重要，需要避免PCB板材中出現(xiàn)CAF生長(zhǎng)的路徑(橫跨金屬化孔之間的空隙)。

1.3 CAF失效特點(diǎn)分析

CAF失效是指在兩個(gè)絕緣網(wǎng)絡(luò)中由于銅離子的遷移形成一條導(dǎo)通的線路從而導(dǎo)致產(chǎn)品失效或者工作不穩(wěn)定的可靠性問(wèn)題。

由于CAF失效導(dǎo)致絕緣電阻下降，因此最先失效的是對(duì)絕緣敏感的電路，即高阻抗電路。如I2C總線的SDA，SCL，音頻前級(jí)電路，電阻分壓的按鍵電路等?？笴AF能力最強(qiáng)的是電源線路。

2 CAF的工程實(shí)例分析

2.1 故障現(xiàn)象

2009年，廈門(地理上四面環(huán)海)某酒店液晶電視多數(shù)出現(xiàn)伴音故障(音量變小)，主板為雙層覆銅箔PCB板，經(jīng)測(cè)量板上的I2C總線中SDA、SCL電壓下降到1.8 V左右，采用排查法逐段檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在割斷外圍連線的情況下，有一處過(guò)孔對(duì)地存在約4.7 kΩ的電阻值，使10 kΩ的上拉電阻在5 V電源下分壓到1.8 V左右，如圖1所示。

圖1 信號(hào)過(guò)孔對(duì)地過(guò)孔“漏電”

同年，福建泉州一臨海的酒店發(fā)生類似故障(5臺(tái)電視都出現(xiàn)了伴音中有雜音干擾的現(xiàn)象)，發(fā)現(xiàn)在XS504插座處焊腳對(duì)地“漏電”，對(duì)地電阻值明顯偏小(4 kΩ左右)，PCB也為雙面板，如圖2所示。

圖2 插座焊盤位置對(duì)地“漏電”

另外，需要說(shuō)明的是，這些地方陸續(xù)還發(fā)生了多起類似的失效，包括伴音、選單、按鍵不良等現(xiàn)象，同一塊PCB板有時(shí)存在多達(dá)4處以上的失效。其特點(diǎn)都表現(xiàn)為“漏電”，即相鄰過(guò)孔間絕緣電阻下降，而且在絕大多數(shù)時(shí)間，這組相鄰的過(guò)孔之間一直存在固定的直流偏壓，其孔壁間距從0.5 mm到1 mm不等。

還需要指出，這些失效的PCB均為雙層環(huán)氧玻璃布板，在同一地區(qū)使用的、時(shí)間更長(zhǎng)的采用4層板電路的電視機(jī)，沒(méi)有發(fā)生一例疑似的CAF失效，總體故障率相比非常低，更沒(méi)有同類故障集中出現(xiàn)的現(xiàn)象。

2.2 故障初步判斷

對(duì)于廈門的問(wèn)題，首先懷疑是表面的電化學(xué)遷移ECM，對(duì)故障過(guò)孔的周圍上、下兩層做周邊的清理、刮割，去除可能的ECM金屬物再測(cè)量對(duì)地電阻，依然保持4.7 kΩ不變，說(shuō)明不是ECM引起，因此懷疑CAF引起故障。

而福建泉州的故障也排除了ECM可能，但由于是插座引腳，用電烙鐵重新加熱焊接后，阻值恢復(fù)正常，分析認(rèn)為CAF已經(jīng)因?yàn)闊崦浝淇s而暫時(shí)斷開(有3例因?yàn)槔予F加熱使絕緣電阻暫時(shí)恢復(fù)正常)。

2.3 第三方測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證

為確認(rèn)故障原因，將廈門酒店的故障板送廣州市五所電子元器件檢測(cè)中心進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果證明為CAF引起，圖3引用了報(bào)告中的部分圖片。

圖3 樣品檢測(cè)情況

2.4 故障分析

2.4.1 鹽霧腐蝕對(duì)CAF的影響

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在南方沿海地區(qū)，CAF最容易發(fā)生，特別是臨海的酒店，CAF的發(fā)生率明顯高于其他地方。而在干燥的北方地區(qū)，沒(méi)有一例關(guān)于CAF的反饋。

由此分析CAF的發(fā)生與沿海的鹽霧腐蝕［2］有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

鹽霧腐蝕就是一種常見和最有破壞性的大氣腐蝕。這里講的鹽霧是指含氯化物的大氣，它的主要腐蝕成分是海洋中的氯化物鹽——氯化鈉，它主要來(lái)源于海洋和內(nèi)地鹽堿地區(qū)。

鹽霧對(duì)金屬材料表面的腐蝕是由于含有的氯離子穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起的。氯離子有強(qiáng)烈的穿透本領(lǐng)，很容易穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，引起腐蝕。

從故障板、正常板的照片對(duì)比看，故障板的過(guò)孔(通孔)銅箔嚴(yán)重氧化，覆蓋的綠油已脫落(見圖4)，周圍銅箔裸露、過(guò)孔內(nèi)壁暴露，水汽等雜質(zhì)更易滲入PCB板材。

圖4 故障PCBA(左側(cè))過(guò)孔銅箔外露明顯

2.4.2 PCB存儲(chǔ)和使用及環(huán)境濕度的影響

根據(jù)Augis，J.A.等人的研究［3］，CAF的形成存在一個(gè)臨界濕度值，濕度低于臨界值時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)。相對(duì)濕度的臨界值與工作電壓和溫度有關(guān)，PCBA(PCB組件)吸潮可能發(fā)生在用戶服役壽命的任何時(shí)刻，這就能夠解釋CAF為何較常出現(xiàn)在氣候濕潤(rùn)的南方。

2.4.3 CAF形成的化學(xué)反應(yīng)式和鹽霧的作用關(guān)系

CAF形成的化學(xué)過(guò)程如下:

Cu→Cu2++2e-(銅在陽(yáng)極發(fā)生溶解)

H2O→H++OH-(水電離)

2H++2e-→H2(氫氣析出)

銅離子在電場(chǎng)作用下從陽(yáng)極向陰極方向發(fā)生遷移，過(guò)程中產(chǎn)生銅鹽:

Cu2++2 OH-→Cu(OH)2

Cu(OH)2→CuO+H2O

CuO+H2O→Cu(OH)2→Cu2++2 OH-(銅鹽電離，銅離子遷移)

Cu2++2e-→Cu(銅離子得到電子還原成銅并在通道內(nèi)沉積)

鹽霧在CAF的形成過(guò)程中，主要的作用在于形成了導(dǎo)電鹽溶液，使溶液的導(dǎo)電性大大增強(qiáng)，加速了CAF的形成。

雖然鹽霧沒(méi)有直接參與CAF的化學(xué)反應(yīng)，但它的破壞作用有3個(gè)步驟:

1)初期對(duì)保護(hù)油墨進(jìn)行侵蝕，使銅箔外漏;

2)中期使外露銅箔氧化腐蝕;

3)后期滲透、水解PCB玻纖形成含導(dǎo)電鹽溶液通道，加速了CAF的形成。

3 CAF預(yù)防措施

3.1 早期措施

早期，針對(duì)廈門、泉州出現(xiàn)的問(wèn)題，采取的對(duì)策包括增加過(guò)孔距離、控制生產(chǎn)工藝、加熱烘干和涂敷防水膠等辦法進(jìn)行預(yù)防。但這樣做工藝過(guò)程復(fù)雜，而且不容易從根本上杜絕問(wèn)題的發(fā)生，兩年以后發(fā)現(xiàn)效果并不理想，采取以上措施新生產(chǎn)的液晶電視仍然在廣東地區(qū)出現(xiàn)了一些CAF失效(經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢測(cè)確認(rèn)仍為CAF失效)。

3.2 新的預(yù)防措施

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告顯示，在120 h恒定濕熱實(shí)驗(yàn)中，加載50 VDC老化電壓，2塊PCB樣品中有1塊絕緣電阻值顯著下降到100 kΩ以下，隨后的金相分析確認(rèn)了CAF的生成;說(shuō)明PCB本身在高溫高濕環(huán)境下，易出現(xiàn)CAF失效。同時(shí)考慮所有采用4層PCB板的電視機(jī)并沒(méi)有發(fā)生CAF實(shí)效，因此判斷CAF與板材的相關(guān)性［4］更強(qiáng)。

隨后經(jīng)過(guò)對(duì)行業(yè)雙層PCB板材質(zhì)量的調(diào)查，決定換用抗CAF能力較強(qiáng)的PCB板材，采用型號(hào)為S1000H或型號(hào)為FR-4-86雙面板，PCB成本增加約5% ～10%，結(jié)果至今兩年來(lái)再?zèng)]有出現(xiàn)CAF問(wèn)題，證明了抗CAF的PCB板材對(duì)預(yù)防CAF具有重要的作用。

3.3 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)措施

關(guān)于CAF的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)手段，建議在新設(shè)計(jì)的PCB上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，便于測(cè)量、及早發(fā)現(xiàn)和采取對(duì)策。

建議在PCB方便的位置設(shè)置典型的過(guò)孔對(duì)作為測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)孔徑大小采用PCB過(guò)孔平均值，測(cè)試點(diǎn)過(guò)孔距離可選PCB板上過(guò)孔的最小間隙值(若最小間隙值大于0.5 mm時(shí)則選0.5 mm)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)電路設(shè)計(jì):

1)簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)電路如圖5所示。

圖5 簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)電路

2)自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警電路，可選擇工廠選單查看，或智能遠(yuǎn)程預(yù)警，電路設(shè)計(jì)可采用圖6的電路。

圖7 客戶端測(cè)試效果圖

5 結(jié)語(yǔ)

嬰幼兒視頻監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是加強(qiáng)對(duì)嬰幼兒突發(fā)事件實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)功能。系統(tǒng)具有完善的功能模塊，從視頻監(jiān)控端到客戶端的設(shè)計(jì)，闡明了設(shè)計(jì)過(guò)程中需要用到的一些關(guān)鍵技術(shù)。最終通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了此系統(tǒng)的可行性。

嬰幼兒監(jiān)護(hù)問(wèn)題一直是社會(huì)及父母關(guān)注的焦點(diǎn)，此系統(tǒng)不僅可以使嬰幼兒監(jiān)護(hù)問(wèn)題得到一定的緩解，而且對(duì)于醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線化提供了一定的借鑒意義，同時(shí)具有節(jié)約勞動(dòng)力，提高醫(yī)護(hù)人員工作效率，防止各種原因引起的醫(yī)療事故等優(yōu)點(diǎn)[10]。

[1] 邢文姬，郭明儒，王興，等.嬰兒睡眠監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（5）：102-104.

[2] 楊振雷.智能嬰兒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2012（22）：127-128.

[3] 黃思博，潘良辰，儲(chǔ)健.基于 Arduino和Openwrt的智能家居門警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2014（5）：3067-3069.

[4]SURHONE L M，TENNOE M T.OpenWrt[M].Beau-Bassin：BetascrIPt Publishing，2011.

[5] 靳建林，劉曉燕.基于Android系統(tǒng)的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊，2011，10（6）：71-72.

[6] 楊明極，畢晶.基于Android視頻客戶端的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2012，36（3）：43-47.

[7] Code Home.Android-an open handset alliance project[EB/OL].[2014-10-15].http：//code.Google.com/android/what is android.Htm l.

[8] 趙亮，張維.基于Android技術(shù)的界面設(shè)計(jì)與研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，5（29）：8183-8185.

[9] 李剛.瘋狂Android講義[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[10] 任學(xué)雯.新生兒智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技視界，2012（28）：205-206.