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도전성 애노딕 필라멘트(CAF) 고장은 전자 산업에서 흔하면서도 증가하는 우려 사항입니다. 구리를 함유한 도전성 염이 인쇄 회로 기판(PCB) 내부에서 형성되어 치명적인 고장 모드가 될 가능성이 있습니다. 이는 에폭시 또는 유리 인터페이스를 따라 애노드에서 캐소드 서브표면으로 성장하는 일종의 전기화학적 이동입니다. 전기화학적 이동은 도전성 금속 필라멘트가 유전체 물질을 가로질러 성장하는 과정입니다.
CAF 형성은 CAF가 성장하는 과정을 지칭합니다. CAF 형성은 2단계 과정으로 설명됩니다.
CAF 고장은 CAF 형성으로 인해 발생하는 전기적 고장을 말합니다. 고장은 CAF가 애노드에서 캐소드까지 성장할 때 발생합니다.
CAF가 형성되려면 몇 가지 요소가 필요합니다.
고온, 고습, 반복적인 열 사이클, 애노드와 캐소드 사이의 높은 전압 기울기, 일부 솔더링 플럭스 성분 등 많은 다른 요인이 형성 과정을 가속화한다고 여겨집니다. 부품 고장 및 최대 작동 온도 초과와 같은 다른 문제들도 CAF 관련 고장에 기여할 수 있습니다.
CAF는 1976년 벨 연구소의 연구원들에 의해 처음 확인되었습니다. 초기 연구에는 FR-4 파인 라인 플렉스 인쇄 회로에 UV 경화 수지의 다양한 코팅을 테스트하는 것이 포함되었습니다. 유리 보강 레이어 수, 커버코트, 에폭시 버터코트 층 두께 등 추가적인 고장 예방 변수도 연구되었습니다. 연구자들은 고장 시간을 로그-정규 그래프로 모델링할 수 있음을 발견하고 온도, 습도, 바이어스가 과정을 가속화하는 요인임을 확인했습니다. 또한 4가지 기판 관련 고장을 설명했습니다.
1979년 연구자들이 이 고장을 지칭하기 위해 CAF라는 용어를 처음 사용했습니다. 이 용어를 처음 사용한 논문은 소재와 도체 방향이 CAF 형성과 어떻게 관련되는지에 초점을 맞췄습니다. 같은 해에 2단계 모델도 도입되었습니다. CAF에 대한 연구는 오늘날까지 계속되어 습도, 온도, 바이어스, 소재, 도체 방향 및 기타 요인이 CAF 형성에 미치는 영향을 테스트하고 있습니다.
대부분의 연구는 FR-4, G-10, BT, MC-2와 같은 전통적인 라미네이트에 초점을 맞춰왔습니다. 최근에는 CAF 내성 또는 할로겐 프리 라미네이트와 같은 새로운 소재가 적용되고 있는데, 이들은 일반적으로 향상된 열적 특성을 가집니다.
최근 몇 년간 제조업체들이 더 높은 회로 밀도의 더 작은 PCB를 생산함에 따라 CAF 고장 예방 방법을 배우는 것이 더 시급한 문제가 되었습니다. 기판은 이제 신뢰성이 중요한 열악한 환경과 조건에서 더 많이 사용됩니다. 또한 무연 솔더링의 사용과 소재 선택의 증가가 이 주제에 대한 관심을 높였습니다.
1976년 이전보다 CAF에 대해 훨씬 더 많이 알게 되었지만, 연구는 계속되고 있습니다. 기술이 향상됨에 따라 CAF가 발생하는 이유, 식별 방법, 예방 방법에 대해 더 많이 배우게 됩니다.
CAF 고장 위험을 최소화하기 위해 취할 수 있는 다양한 조치가 있습니다. 이 문제를 피하는 방법에 대한 연구는 진행 중이지만, CAF 형성을 가능하게 하는 조건을 피하는 것이 예방에 도움이 됩니다. 고려해야 할 몇 가지 요소는 다음과 같습니다.
전해질이 필요하므로 수분 함량이 높을수록 CAF 고장 확률이 증가합니다. 습도 증가는 수분 함량을 높여 CAF 성능을 저하시킵니다.
제조 공정 중 산 오염이 유입될 수 있으며, 이는 CAF 형성 가능성을 높입니다. 일부 솔더링 플럭스 사용과 도금 공정 중 산 잔여물 유입이 이에 해당합니다.
바이어스 전압이 반응을 구동하는 힘이므로 높은 전압 바이어스는 CAF 형성 가능성을 크게 낮춥니다. 높은 전압은 CAF 성능도 저하시킵니다.
파손, 보이드, 위킹(wicking), 오염, 미스레지스트레이션 같은 선행 결함도 문제가 되는 필라멘트의 경로를 만들 수 있습니다. 홀을 드릴링할 때 기판에 손상을 주지 않도록 주의해야 합니다. 이러한 손상은 균열, 위킹 및 기타 결함을 일으켜 경로를 만들 수 있습니다. 드릴 속도, 피드 속도 및 기타 요인이 이러한 문제 발생 가능성에 영향을 미칩니다. 특징 간 불완전한 브리징 같은 부분적 결함도 기여할 수 있습니다.
환경 온도, 반복적인 열 사이클링, 높은 피크 온도의 리플로 같은 고온은 기판에 더 많은 스트레스를 주고 손상 가능성뿐만 아니라 CAF 형성 가능성도 높입니다.
기판 제작에 사용되는 소재도 CAF 고장에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소입니다. Millennium Circuits Limited가 하는 것처럼 CAF 내성 소재를 사용하는 것은 CAF 형성과 고장을 예방하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다.
라미네이트 소재의 경우, 지난 30년간 다양한 연구가 여러 라미네이트의 CAF 감수성을 측정했습니다. 연구에 따르면 비스말레이미드 트리아진(BT)이 CAF에 가장 강한 라미네이트인 반면, MC-2가 가장 취약합니다. 높은 열 저항성을 가진 라미네이트가 CAF 형성을 더 잘 견딥니다.
하지만 동일하게 지정된 라미네이트 소재라도 공급업체에 따라 CAF 내성이 다를 수 있음을 유의해야 합니다. 일반적으로 다양한 라미네이트의 감수성은 최소에서 최대로 다음과 같습니다.
PCB 제조업체는 유리 마감과 수지 시스템을 사용하여 절연 저항을 높이고 CAF 형성을 방지합니다. 이 두 소재 모두 이 목적에 유용한 것으로 간주됩니다. 그러나 두 물질의 테스트 결과 수지 시스템이 유리 코팅보다 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 두 가지를 함께 사용하는 것이 이상적인 솔루션일 수 있습니다.
추가 연구에 따르면 DICY 경화 수지가 페놀 경화 수지보다 CAF 성장을 촉진할 가능성이 적습니다. 마감 처리된 섬유가 열처리된 섬유와 룸 상태 섬유보다 CAF 형성 가능성이 낮으며, 룸 상태 섬유가 CAF 성장에 가장 높은 감수성을 보입니다. 섬유 청결도, 분포, 가수분해 저항(유리-수지 결합 보존에 도움)은 유리 천이나 실란 코팅의 효과에 영향을 미칩니다. 낮은 수분 흡수, 향상된 순수 수지 구성 요소, 강화된 화학적 안정성(가수분해 저항 포함)을 가진 수지가 더 나은 CAF 성능을 보입니다.
기타 소재 관련 요소로는 마감 유형(HASL, ENIG, 침은, 침주석)과 솔더 마스크 유형이 있습니다.
PCB의 설계와 제조도 CAF 내성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
전압 바이어스가 걸린 특징 간의 간격이 더 작은 기판은 더 큰 간격을 가진 기판보다 더 빨리 고장 나지만, 이는 CAF 형성 과정의 두 번째 단계에만 영향을 미치는 것으로 여겨집니다.
홀-홀 및 라인-라인 간격 외에도 드릴 홀 크기와 도금 스루홀의 구리 두께가 CAF 내성에 영향을 미칩니다. 바이어스된 특징이 더 많으면 CAF가 형성될 기회도 더 많아집니다. 애노딕 비아는 캐소딕 비아보다 더 빨리 고장 납니다. 이들의 워프(warp)와 웨프트(weft) 방향도 역할을 합니다. 45도 각도로 어긋나게 배치된 비아는 CAF에 대한 내성이 더 높습니다. 제조 후 필 보이드, 글라스 스톱, 위킹 또는 기타 문제가 있으면 CAF 성장의 선행 경로 역할을 할 수 있습니다.
리플로 및 디스미어 공정 등 CAF 형성 가능성을 높일 수 있는 다른 공정도 있습니다.
PCB의 많은 측면이 CAF 형성에 대한 내성에 영향을 미칩니다. 이러한 요소에는 다음이 포함됩니다.
이렇게 많은 요인이 CAF 성능에 영향을 미치므로 PCB 생산 공정의 모든 단계에서 CAF를 고려해야 합니다. 기판을 CAF 내성에 맞게 최적화하면 더 신뢰할 수 있는 최종 제품을 얻을 수 있습니다.
발생한 CAF를 식별하는 것은 어렵기 때문에 검사와 연구가 어렵습니다. CAF는 종종 PCB 내부에 묻힌 레이어에서 발생합니다. 또한 다른 기여 고장 요인과 함께 나타날 수 있어 CAF가 단독 책임 고장 모드인지 파악하기 어렵습니다.
그러나 다양한 고급 테스트 방법을 사용하여 CAF 형성과 고장을 확인하고 특성화할 수 있습니다. 이 테스트에는 표면 절연 저항(SIR) 테스트로 알려진 IPC 표준 전기적 방법이 포함됩니다.
PCB에서 CAF 형상을 이미징하는 다양한 방법도 사용할 수 있습니다. 이러한 기술에는 다음이 포함됩니다.
기판의 CAF 내성 테스트를 수행하면 전체 품질과 신뢰성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 회로 기판 및 전자 조립 산업 협회인 IPC는 IPC-TM-650 Method 2.6.25A라는 제목의 CAF 내성에 대한 표준 테스트 절차를 가지고 있습니다. 표준화된 테스트 방법의 사용으로 CAF 내성 등급을 쉽게 이해하고 비교할 수 있습니다.
이 테스트에는 약 125×175mm 치수의 10층 구조인 IPC-9253 및 IPC-9254, IPC-9255 및 IPC 9256 같은 IPC 표준 쿠폰 설계를 사용할 수 있습니다. 일부 원장비 제조업체는 자체 쿠폰 설계를 사용하기도 합니다. 라미네이트의 CAF 성능을 테스트할 때는 다양한 특징 간격, 레이아웃, 홀 크기를 가진 여러 설계를 사용해야 합니다.
IPC 테스트 방법은 샘플 로트당 바이어스 레벨당 최소 25개의 테스트 보드 사용을 권장하며, 이는 샘플 및 조건 세트당 4,200개의 잠재적 인라인 홀-홀 CAF 고장 지점과 7,800개의 잠재적 대각선 홀-홀 CAF 고장 지점을 제공합니다.
IPC 테스트 방법에는 약 65°C 또는 85°C(149~185°F)의 고온과 87% 상대 습도(RH)의 고습 조건에서 이 보드들을 테스트하는 것이 포함됩니다. 100V 직류를 인가하여 초기 절연 저항 측정을 얻은 후, 샘플은 96시간 동안 온도 및 습도 조절을 거친 후 또 한 번의 절연 저항 측정을 수행합니다.
그런 다음 샘플은 지속적으로 인가된 바이어스 전압 하에서 최소 500시간 동안 테스트를 거칩니다. 이 기간 동안 24~100시간마다 고저항 측정을 수행합니다. 500시간 후 또 한 세트의 절연 저항 측정을 수행합니다.
테스트 후 데이터에서 상당한 감소나 고저항 쇼트가 있는지 검토합니다. 기판이 고장 나고 CAF 고장이 의심되면 위에서 나열한 테스트 방법 등을 사용하여 고장 분석을 수행하여 원인을 확인할 수 있습니다.
테스트는 각 간격별로 500시간 시점의 백분율 고장률을 제공합니다. 테스트 결과는 CAF 내성 또는 CAF 품질 관점에서 설명할 수 있습니다. CAF 내성은 결함을 강조하지 않고 소재 시스템이 CAF 형성에 취약한지 여부를 판단하는 데 초점을 맞춥니다. CAF 품질은 소재의 고장률 모델이며 결함 기반 고장을 포함할 수 있습니다.
CAF 내성은 모든 인쇄 회로 기판 프로젝트의 주요 관심사여야 합니다.
PCB가 작아지고 특징들이 더 가까이 배치되어야 함에 따라 CAF 형성 위험이 증가합니다. 특정 조건에서 사용되거나 신뢰성이 중요한 응용 분야의 기판에서는 CAF 성능이 특히 중요합니다.
그렇기 때문에 Millennium Circuits Limited가 제공하는 모든 소재는 CAF에 강합니다. 다양한 소재 종류, 플렉스 및 리지드-플렉스 회로, 표면 마감뿐만 아니라 고전력 및 열 기판도 제공합니다. 패널 생성, 설계 규칙 검사, 제어 임피던스 모델링 등 엔지니어링 서비스도 제공합니다. 프로토타입부터 대량 주문까지 모든 규모의 주문을 빠른 처리 시간으로 처리합니다.
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산업기술
인쇄 회로 기판(PCB)은 오늘날 모든 전자 제품의 핵심입니다. 이 작은 녹색 부품은 일상 가전제품부터 산업용 기계까지 필수적입니다. PCB 설계와 레이아웃은 모든 제품 기능의 중요한 구성 요소로, 장비의 성공 또는 실패를 결정합니다. 기술의 끊임없는 진화로 이러한 설계는 지속적으로 발전해 왔습니다. 오늘날 전기 엔지니어들의 혁신 덕분에 이러한 설계의 복잡성과 기대치는 새로운 차원에 도달했습니다. 최근 PCB 설계 시스템과 기술의 발전은 업계 전반에 광범위한 영향을 미쳤습니다. 그 결과 PCB 설계 규칙과 생산 공정이 진화하여
PCB에 적용되는 가장 기본적인 제조용 설계(DFM)는 PCB 설계 소프트웨어에서 설계 규칙과 설계 규칙 검사(DRC)를 사용하는 것입니다. 설계 규칙 검사(DRC)는 설계가 PCB 제조업체 제조 능력을 준수하는지 확인하는 과정입니다. 일반적으로 설계자는 PCB 제조업체가 지원하는 최고 공차를 받아 설계 프로그램에 로드한 다음 예비 설계에 설계 규칙 테스트를 실행합니다. 설계 규칙 검사는 일반적으로 PCB 설계 소프트웨어에 통합되어 있으며 일반적으로 추가 서비스로 간주되지 않습니다. 더 고급 DFM 분석 소프트웨어도 더 복잡하고 덜
