CAF: Kurzschluss auf der Leiterplatte bei hohen Spannungen

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

So bildet sich ein Pathway: drei Fälle wie CAF entsteht

Bei CAF wird zwischen unterschiedlichen Fällen unterschieden, wie es zu CAF kommt. Die Häufigkeit des Auftretens ermittelt sich aus der Wahrscheinlichkeit von unterschiedlichen Fehlern. Der häufigste Fall 1 (Bild 3) tritt zwischen den Außenwänden von zwei Bohrungen auf. An den Bohrungsaußenwänden werden während des Bohrens die Glasfasern aufgetrennt und mechanisch beansprucht. Es entstehen an Bohraußenwänden häufig kleine kurze Kapillaren, die später nach dem Galvanisieren mit Kupfer ausgefüllt sind. Diese galvanisierten Kapillaren haben eine hohe Feldstärke und eignen sich deshalb gut als Startpunkt für die Ablagerung der Kupfer-Salze. Der Pathway bildet sich dann entlang eines Glasfaserstrangs aus.

Der zweite Fall ist ein Pathway von einer Bohrungsaußenwand zu einer innen liegenden Leiterbahn oder Kupferfläche. Durch das Verpressen wird die Leiterbahn so weit in das Harz gedrückt, dass es an das Glasgewebe der benachbarten FR-4 Lage stößt und hier das Gewebe vom Harz löst.

Der dritte Fall wäre ein Pathway von einer innenliegenden Bohrung von unten an eine Leiterbahn auf einer Außenlage. Zu solchen Fällen kommt es aber nur bei zu dünnem Harzauftrag auf dem Glasgewebe.

Design-Regeln definieren die nötigen Mindestabstände

Die Anomalie CAF tritt also unter gewissen Umständen im PCB auf und dazu lassen sich die Wahrscheinlichkeiten errechnen. Da es aber zu viele Parameter in einer solchen Berechnung gibt, werden Design-Regeln empirisch durch Versuche mit beschleunigter Alterung ermittelt. Ob eine einzelne Leiterplatte auch Pathways enthält, lässt sich nicht prüfen – weder durch Röntgen, Durchleuchten oder andere Verfahren. Daher müssen im eCAD-Design die vorgesehenen Mindestabstände zwischen elektrisch leitenden Elementen auf der Leiterplatte eingehalten werden. Diese Abstände sind abhängig von den Gleichstromspannungen der einzelnen Netze und den Strukturen des Glasgewebes im FR-4. Ungeeignet sind Verifikationen mit einem klassischen Metall-to-Metall-Check in einer CAM-Software ebenso wie manuelles Ausmessen der lagenabhängigen Abstände. Die Werte für die Mindestabstände sind vom verwendeten FR-4-Basismaterial abhängig. Feinere Strukturen mit vielen einzelnen Glasfasern in einem Gewebestrang sind am schlechtesten für CAF und erfordern die größten Abstände im Design. Zur Übersichtlichkeit wird eine Einteilung in drei Klassen für die Strukturen gewählt: fein (106, 1080), mittel (2116, 3133, 2157) und grob (7628). Die Werte in Klammern geben die gängigen FR-4-Typenbezeichnungen an. Die Einteilung kann beliebig erweitert werden und das Tool ordnet die Klassen den Lagen zu, entsprechend der Materialbeschreibung im Lagenaufbau.

Auch die Spannungen werden sinnvollerweise in Klassen eingeteilt. Hier hat sich die Einteilung in die Bereiche >10 V, >50 V, >100 V und >300 V als häufig verwendete Einteilung bewährt. Über eine Tabelle lassen sich nun Mindestabstände definieren in Abhängigkeit von Gewebestruktur und Spannungsklasse (Bild 5). Die Tabelleneinträge können gespeichert und je nach Projekt erneut geladen werden.

Das CAF-DRC-FloWare-Modul (Bild 1) von FlowCAD kann in der eCAD-Software OrCAD beziehungsweise Allegro alle Gleichstromnetze untersuchen und entsprechend der Potenzialdifferenz zwischen zwei Netzen den Abstand mit dem Tabellenwert vergleichen und gegebenenfalls einen DRC-Fehler auslösen.

Die Prüfung kann nur orthogonal, also entlang eines Gewebestrangs oder als Manhattan-Distanz-Prüfung basierend auf einem Geweberaster von z.B. 450 μm erfolgen, da Pathways nur in oder entlang eines Glasfaserstrangs entstehen können (Bild 4). Es treten also keine diagonalen Strecken für Pathways auf. Über einen Schalter kann der Anwender entscheiden, ob nur Bohrungsaußenwand zu Bohrungsaußenwand oder auch Bohrungsaußenwand zu anderen Kupferelementen/Leiterbahnen geprüft werden soll.

* Dirk Müller ist Geschäftsführer der FlowCAD EDA-Software Vertriebs GmbH, Feldkirchen.

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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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