CAF – ein neues Fehlerbild an Baugruppen aus FR4?

Zwar gab schon in der Vergangenheit den CAF-Effekt, aber er wirkte sich aufgrund der deutlich größeren Pad-, Via- und Land-Abstände nur selten aus. Mit der stark zunehmenden Integrationsdichte auf Baugruppen veränderte sich dies aber merklich. Wegen der vorliegenden hohen Ausfallraten wurden in den letzten Jahren viele Testreihen durchgeführt, um die Einflussgrößen zur Bildung von CAF herauszuarbeiten. Besonders im Automotive-Bereich werden für Untersuchungen große finanzielle Mittel bereitgestellt.

Bild 1 zeigt ein möglicher CAF-Pfad in PCBs beziehungsweise PBAs. Isola, Vortrag zur EMPA 2016

Bild 2 zeigt eine weitere Variante möglicher CAF-Pfade in PCBs beziehungsweise PBAs. Ling Zou & Chris Hunt, NPL 2013/How to Avoide Conductive Anodic Filaments (CAF)

Die Graphik zeigt anschaulich die elektrochemische Reaktion und damit die Entstehung von CAF. Isola, Vortrag zur EMPA 2016

Rood Microtec hat im Jahr 2010 in einer Analyse elektronische Baugruppen aus dem Automotive-Bereich auf CAF hin untersucht und den Nachweis hierfür erbracht. Anlass war, dass ein Premiumhersteller massive Baugruppenausfälle hatte, die er sich zunächst nicht erklären konnte. Nach intensiver Analyse des Ausfallbildes konnte sein Zulieferer einen bestimmten Bereich auf der Baugruppe eingrenzen, in dem mit hoher Wahrscheinlichkeit die Ursache des PBA-Ausfalls liegen musste. Seit 2010 wurden bei Rood Microtec jährlich mehrere Untersuchungen mit Verdacht auf CAF durchgeführt. Bei etwa 80 Prozent der verdächtigen Baugruppen ließ sich CAF zweifelsfrei nachweisen.

Was genau ist CAF?

Im Jahr 1970 haben die Bell Laboratorys den Ausfallmechanismus „Conductive Anodic Filament (CAF)“ erstmals beschrieben (deutsch: leitender Faden an der Anode [beginnend]). Darunter versteht man die Bildung von leitfähigen Verbindungen zwischen zwei Potenzialen von der Anode zur Kathode bedingt durch Kupfer-Ionen-Migration entlang von Glasfasern innerhalb von Leiterplatten. Das am häufigsten verwendete Basismaterial FR4 besteht aus Epoxydharz und Glasfasergewebe. Die Bezeichnung „FR“ steht für „Flame retarding“ und weist damit auf die flammhemmende Eigenschaft des Materials hin.

Die Kupfermigration führt zu leitfähigen Pfaden, so genannte Pathways, die den Isolationswiderstand zwischen den spannungsführenden Leiterbahnen herabsetzen. Zwischen Versorgungsleitungen bewirkt dies im Extremfall einen Kurzschluss, zwischen Signalleitungen ist eine Störung bzw. ein Ausfall der Baugruppe die Folge.

Beim Design der Leiterplatte muss dieser Effekt daher schon bei der Entwicklung vorausschauend berücksichtigt und vermieden werden. Verschiedene Faktoren haben Einfluss darauf, wie stark es zu Ionen-Migration auf Grund chemischer Prozesse kommt. Aus dem Zusammenwirken der Faktoren lässt sich eine Ausfallwahrscheinlichkeit abschätzen.

Die fortschreitende Miniaturisierung und die damit verbundenen geringeren Isolationsabstände haben zur Folge, dass dem CAF-Effekt eine größere Bedeutung beigemessen werden muss. Die Komplexität der Leiterplatten und elektronischen Baugruppen macht es zwingend erforderlich, die Mechanismen zu verstehen, um Ausfälle zu verhindern. Die Einsatzbedingungen wie Temperatur und vor allem hohe Luftfeuchtigkeit erhöhen die CAF-Empfindlichkeit der Leiterplatten (Bild 3).

Hauseigene CAF-Untersuchung

Ein Automotive-Zulieferer wurde mit einer niederohmigen, vermuteten CAF-bedingten Verbindung zwischen Durchkontaktierungen konfrontiert. Mittels Messtechnik und Layoutplan war es möglich, den Bereich auf einer Fläche von etwa 2,5 cm x 2,5 cm einzugrenzen, was die Untersuchung erleichterte. Üblicherweise sind CAF bedingte Auffälligkeiten nicht ganz so einfach nachzuweisen. Mittels Röntgenanalyse ließ sich der angenommene CAF-Effekt nicht darstellen.

Mehrere Flachschliffebenen im Ausfallbereich brachten dann den Erfolg (Bild 4). Hier fand man dann eine kupferfarbene Verbindung zwischen zwei Durchkontaktierungen, die in einem Querschliff (90 Grad zur Flachschliffachse) dann mittels REM mit EDX als Kupfer nachgewiesen wurde (Bild 5). Die Bestätigung wurde hiermit erbracht. Die Abbildung zeigt CAF zwischen zwei Durchkontaktierungen in der Mitte einer Leiterplatte. Wenn auch die Verbindung zwischen den Durchkontaktierungen lichtmikroskopisch deutlich erkennbar ist, so konnte sie mittels Röntgenuntersuchung, aufgrund ihrer geringen Dicke, nicht dargestellt werden.

Zusammenfassung

Die Untersuchungsergebnisse der letzten Jahre zeigen deutliche Einflüsse von

• der vorhandenen Potenzialdifferenz. Hohe angelegte Spannung wirkt sich signifikant aus und verkürzt die Zeit bis zum Erreichen des Ausfallkriteriums.
• dem verwendeten Harzsystem. Phenolisch gehärtete Systeme zeigen deutlich bessere Ergebnisse als mit Dicyandiamiden gehärtete Systeme.
• CAF-reduzierten Basismaterialien verringern deren Bildung.
• dem verwendetem Glasgewebetyp und deren Benetzungsverhalten. Die Verwendung von „Spread Fibers“, etwa 1086 Spread und dem damit verbesserten Benetzungsverhaltens erhöht die Beständigkeit gegenüber CAF.
• den vorliegenden Bohrungsabständen. Die Bohrungsabstände haben sich in den letzten Jahren deutlich verringert. So werden derzeit Bohrungsabstände von 0,28 mm realisiert. Geringere Bohrungsabstände erhöhen das Risiko.
• vergleichbar spezifizierten Laminaten unterschiedlicher Hersteller. Diese zeigen unterschiedliche CAF-Empfindlichkeiten.
• Kette und Schuss der Glasfasern. Um 45 Grad versetzte Durchkontaktierungen zeigen eine höhere Beständigkeit gegenüber CAF.
• der Löttemperaturen. Höhere Löttemperauren begünstigen deren Bildung.Die Entwicklung zu immer höher integrierten Baugruppen erfordert zwingend die Untersuchung und die Weiterentwicklung von entsprechend resistenten Materialien.

SMT Hybrid Packaging: Halle 4A, Stand 318A

(mrc)