CAF: Kurzschluss auf der Leiterplatte bei hohen Spannungen

| 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, bei dem es zu Durchschlägen in der PCB kommt.

Dauerhaft anliegende hohe Gleichspannungen bei Versorgungspotenzialen erzeugen statische elektrische Felder auch im Isolationsmaterial innerhalb der Leiterplatte aus FR4-Material. Die 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 der Leiterplatte führen, wenn diese existierende 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 kann eine Ausfallwahrscheinlichkeit vorhergesagt und so sichere Mindestabstände zwischen den Gleichspannungspotenzialen vorgegeben werden. Der Ausfallmechanismus im Isolationsmaterial wird als CAF bezeichnet (Conductive Anodic Filaments; deutsch: leitender Glühfaden an Anoden) und wurde erstmals 1970 vom Bell Laboratory 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.

Physikalisch-chemischer Hintergrund der Gefährdung

Das Isolationsmaterial FR-4 innerhalb einer Leiterplatte besteht aus einer Glasgewebestruktur, in der viele feine Glasfasern als Bündel/Strang miteinander verwoben werden. Das Glasgewebe wird anschließend mit Kunstharz getränkt. Durch Temperaturschwankungen nimmt das FR-4 über die Zeit auch Feuchtigkeit aus der Umgebung auf. Wenn der interne pH-Wert des Isolators sauer ist (pH<7), kommt es zwischen zwei elektrischen Potenzialen (von der Anode zur Kathode) im FR-4-Basismaterial der Leiterplatte zu einer Elektrolyse. Bei der Elektrolyse lagern sich in einem Korrosionsprozess Salze aus Kupfer-Ionen entlang des elektrischen Feldes und entlang der Glasfasern im FR-4 ab. Diese Ablagerungen verkürzen den Isolationsabstand zwischen den beiden elektrisch leitenden Elementen/Elektroden. Wenn dann der Abstand zu klein ist, kommt es zu gefährlichen Durchschlägen im Isolationsmaterial, die zur Bauteilzerstörung und zu Bränden führen können.

Es sollte normalerweise nicht möglich sein, dass sich die Kupfer-Salze im FR-4 ablagern, weil das Glas mit dem Harz verklebt ist. Aber es passiert immer wieder, dass diese Klebestellen zwischen Glas und gehärtetem Harz aufbrechen. An diesen Bruchstellen entstehen winzige Kapillare, in denen aus der Luftfeuchtigkeit aufgenommenes Wasser kondensiert.

Zu solchen Kapillaren entlang der Glasfasern (Pathways) kommt es durch verschiedene Arten der Beanspruchung: Die häufigste mögliche Beanspruchung ist, dass beim Bohren von Löchern für Durchkontaktierungen die Glasfasern vom Bohrer durchtrennt werden und sich die Enden der Glasfasern durch Vibration im Bohrloch vom Harz lösen. Eine andere Beanspruchung ist, wenn ein Bogen FR-4 bei der Leiterplattenproduktion unsachgemäß verarbeitet wird und sich durch Biegen das Harz von den Glasfasern ablöst. Beim Verpressen der einzelnen Lagen zu einer Multi-Layer-Leiterplatte drücken sich Leiterbahnen auf Innenlagen in das Harz der benachbarten Isolationsschichten und reißen lokal die Glasfasern vom Harz ab. Es kommt auch vor, dass bei der Produktion des Basismaterials die Glasfasern nicht perfekt mit Haftmittel/Härter benetzt wurden, bevor das Gewebe durch das Harz-Becken geleitet wird, dann haftet das Harz an diesen Stellen nicht am Gewebe. Aber auch durch thermische Beanspruchung, besonders beim bleifreien Lötprozess mit hohen Temperaturen, lösen sich die Glas-Harz-Verbindungen.

Der Einfluss auf Conductiv Anodic Filament

CAF tritt zwischen Gleichstrom-Potenzialen innerhalb von Leiterplatten auf. Wie hoch die Wahrscheinlichkeit ist, dass CAF auftreten kann ist abhängig von einer Kombination von verschiedenen negativen Einflüssen. Zusätzlich zu der genannten mechanischen Beanspruchung gibt es noch weitere Einflussfaktoren für CAF. Die Gewichtung des Einflusses der einzelnen Faktoren für das Auftreten von CAF ist in Bild 2 zu erkennen. Der größte Faktor ist der Abstand zwischen zwei elektrischen Elementen (z.B. Abstand zwischen zwei Bohrloch-Außenwänden), an denen ein Potenzialunterschied (DC) auf einer Innenlage anliegt. Der zweitgrößte Einfluss ist die Größe des Potenzialunterschieds selbst.

Dann wird das Material des Härters für das FR-4 unterschieden (Dicy Cured oder Non Dicy Cured). Die Verarbeitungsqualität je Hersteller bei der Handhabung der Laminate vor der Verpressung hat ebenfalls einen Einfluss. Da die Korrosion an der Anode stattfindet ist die Richtung der Salzablagerung von Bedeutung. Die Anordnung der Durchkontaktierungen (orthogonal oder versetzt/staggert) beeinflusst, wie häufig der gleiche Glasfaserstrang angebohrt wird. Ein weiterer Unterschied ist der Durchmesser der Glasfasern in einem Strang. Feine Strukturen führen zu mehr CAF-Problemen.

Weniger Einfluss haben Parameter wie bleifreies oder verbleites Löten, Basismaterial, veredelte Oberflächen, die Bohrgeschwindigkeit, Tg-Wert (höhere Glasumwandlungstemperatur durch mineralische Füllstoffe im Harz) und ob eine Bohrung ein PAD hat oder nicht.

Die Kombination aus allen Einflüssen ergibt die Werte für die Mindestabstände. Da die Faktoren bei vielen Anwendungen sehr unterschiedlich sind, werden die Werte bisher von den Kunden in Zusammenarbeit mit den Lieferanten für Basismaterialen in Versuchsreihen empirisch ermittelt. Es gibt bisher noch keine Norm oder eine allgemeingültige Berechnungsformel. Daher muss eine DRC-Prüfung auf die kundenspezifische Anwendung angepasst werden.

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Der Artikel hat mich sehr gut in das Thema eingeführt. Eine Referenz zu einem guten,...  lesen
posted am 31.01.2019 um 12:53 von johannes.adam


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