Zuverlässigkeit

Gefährlicher Kurzschluss im PCB durch hohe Spannungen

15.03.17 | Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Bild 1: Beispiel für die Prüfung auf Einhaltung der Design-Regeln für CAF in OrCAD bzw. im Allegro-PCB-Editor bei Gleichstromnetzen.
Bild 1: Beispiel für die Prüfung auf Einhaltung der Design-Regeln für CAF in OrCAD bzw. im Allegro-PCB-Editor bei Gleichstromnetzen. (Bild: FlowCAD)

CAF (Conductive Anodic Filament) beschreibt den chemischen Effekt der Kupfer-Ionen-Migration in FR-4 bei hohen Spannungen, wodurch es zu Durchschlägen in der PCB kommt.

Dauerhaft anliegende hohe Gleichspannungen bei Versorgungspotenzialen erzeugen statische elektrische Felder, die auch im Isolationsmaterial innerhalb der Leiterplatte aus FR4 Wirkung zeigen.

Diese elektrischen Felder verursachen eine Kupfer-Ionen-Migration in das Isolationsmaterial hinein. Die im Verlauf der Alterung entstehenden Ablagerungen können zu gefährlichen Durchschlägen durch die Isolationsschicht führen, wenn eine solche Gefährdung beim Entwickler unbedacht bleibt.

Verschiedene Faktoren haben Einfluss darauf, wie stark es zu chemischen Prozessen der Ionen-Migration kommt. Aus der Summe der Faktoren lässt sich eine Ausfallwahrscheinlichkeit vorhersagen und so ein sicherer Mindestabstand zwischen den Gleichspannungspotenzialen vorgeben.

Der Ausfallmechanismus im Isolationsmaterial wurde erstmals 1970 vom Bell Laboratory als Conductive Anodic Filaments (deutsch: leitender Heizdraht an Anoden) beschrieben.

Der CAF-Effekt bekommt in den letzten Jahren wieder mehr Beachtung. Leiterplatten werden miniaturisiert und es kommt zu einer Erhöhung der Schaltungsdichte und engeren Platzierungen im Bereich der geforderten Sicherheitsabstände bei höheren Spannungen. Die Wertschöpfung von Geräten aller Art wird durch elektronische Baugruppen erreicht, was dazu führt, dass Elektronik auch vermehrt unter extremen Umweltbedingungen und hoher Luftfeuchte verwendet wird. Die Einführung von bleifreien Lötprozessen führen zu erhöhten thermischen Belastungen des Basismaterials bei der Bestückung, was die CAF-Wahrscheinlichkeit erhöht. CAF ist ein sicherheitsrelevanter Aspekt, der heute verstärkt im Bereich Automotive und der Antriebstechnik Beachtung findet.

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