液晶电视CAF失效实例分析和预防

2015-10-20何广举

电视技术 2015年3期

何广举

(康佳集团股份有限公司，广东深圳518053)

关于导电性阳极丝(Conductive Anodic Filament，CAF)的分析文章有很多，绝大多数是从基本原理或PCB加工工艺的角度进行分析研究，而关于CAF失效表现的实例分析很少。对于一般常用电子产品如液晶电视，CAF逐渐累积直至失效，表现时好时坏，故障不稳定，发生的时间点比较集中，容易产生误判，导致反复维修;对于已经确认的CAF问题，维修中多采用更换电路板的办法解决，容易造成较大的损失。本文从CAF的实例表现入手，分析了这种失效的常见现象，总结了其失效的环境规律和电路特点，指出了电子产品预防CAF的简要措施，对于减少电子产品CAF问题的发生以及减少其造成的损失具有重要的意义。

1 CAF的形成机理

1.1 什么是CAF

CAF［1］(Conductive Anodic Filament)即导电阳极丝。导电阳极丝是一种由于电化学反应导致的失效类型。它是在20世纪70年代由贝尔等实验室的研究人员发现的。这种失效模式是PCB内部的一种含铜(Cu)的丝状物从阳极向阴极方向生长而形成的阳极导电性细丝物，简称CAF。

ECM和CAF类似，ECM(Electro-Chemical Migration)即电化学性迁移现象，按IPC-9201之SIR Handbook(表面绝缘电阻手册)的说法，是当完成电路板或组装板，长久高温高湿的恶劣环境中，且其相邻导体间会出现偏压(Bias)的情况下，会逐渐发生金属离子性物体的迁移，并在板面上出现树枝盐类生长的痕迹者(Dendrites)，称为ECM。

简单看二者的区别:CAF发生在PCB内部，而ECM发生在PCB表面;CAF呈金属丝状，而ECM呈树枝状。

1.2 CAF如何形成

CAF形成模式:CAF形成的过程可描述为Cu在通道中和电解质反应形成Cu+或者Cu++，在电压差(电场)的作用下Cu+/Cu++不断地向低压极(阴极)移动，移动过程中又会有部分铜离子得到电子，被其中的杂质还原成铜原子(Cu)，或者与杂质结合成导电铜盐，而停留在通道中。此过程不断重复，铜和铜盐在通道中向阴极不断累积，通道两端的绝缘电阻不断下降，最终导致板件失效。

CAF的形成有5个必要条件:

1)必须具有可移动导通的铜;

2)必须存在可让铜被氧化的电解质;

3)必须存在电解质溶解的水或者水汽;

4)过孔两极之间必须存在能够让铜离子迁移的电压差;

5)过孔两极之间必须存在一个让铜离子移动的通道。

在这5个必备条件中，条件1)、4)无法避免;只有2)、3)、5)可控，第2)、5)项与PCB板材加工工艺关联;第3)项在北方内陆地区不具备，因此北方干燥的地方很少出现CAF问题。在高温高湿的环境下，条件3)、5)容易形成，而在盐雾环境，条件2)、3)、5)都可满足。由于沿海的盐雾环境不可避免，因此条件5)的控制非常重要，需要避免PCB板材中出现CAF生长的路径(横跨金属化孔之间的空隙)。

1.3 CAF失效特点分析

CAF失效是指在两个绝缘网络中由于铜离子的迁移形成一条导通的线路从而导致产品失效或者工作不稳定的可靠性问题。

由于CAF失效导致绝缘电阻下降，因此最先失效的是对绝缘敏感的电路，即高阻抗电路。如I2C总线的SDA，SCL，音频前级电路，电阻分压的按键电路等。抗CAF能力最强的是电源线路。

2 CAF的工程实例分析

2.1 故障现象

2009年，厦门(地理上四面环海)某酒店液晶电视多数出现伴音故障(音量变小)，主板为双层覆铜箔PCB板，经测量板上的I2C总线中SDA、SCL电压下降到1.8 V左右，采用排查法逐段检测，发现在割断外围连线的情况下，有一处过孔对地存在约4.7 kΩ的电阻值，使10 kΩ的上拉电阻在5 V电源下分压到1.8 V左右，如图1所示。

图1 信号过孔对地过孔“漏电”

同年，福建泉州一临海的酒店发生类似故障(5台电视都出现了伴音中有杂音干扰的现象)，发现在XS504插座处焊脚对地“漏电”，对地电阻值明显偏小(4 kΩ左右)，PCB也为双面板，如图2所示。

图2 插座焊盘位置对地“漏电”

另外，需要说明的是，这些地方陆续还发生了多起类似的失效，包括伴音、选单、按键不良等现象，同一块PCB板有时存在多达4处以上的失效。其特点都表现为“漏电”，即相邻过孔间绝缘电阻下降，而且在绝大多数时间，这组相邻的过孔之间一直存在固定的直流偏压，其孔壁间距从0.5 mm到1 mm不等。

还需要指出，这些失效的PCB均为双层环氧玻璃布板，在同一地区使用的、时间更长的采用4层板电路的电视机，没有发生一例疑似的CAF失效，总体故障率相比非常低，更没有同类故障集中出现的现象。

2.2 故障初步判断

对于厦门的问题，首先怀疑是表面的电化学迁移ECM，对故障过孔的周围上、下两层做周边的清理、刮割，去除可能的ECM金属物再测量对地电阻，依然保持4.7 kΩ不变，说明不是ECM引起，因此怀疑CAF引起故障。

而福建泉州的故障也排除了ECM可能，但由于是插座引脚，用电烙铁重新加热焊接后，阻值恢复正常，分析认为CAF已经因为热胀冷缩而暂时断开(有3例因为烙铁加热使绝缘电阻暂时恢复正常)。

2.3 第三方测试结果验证

为确认故障原因，将厦门酒店的故障板送广州市五所电子元器件检测中心进行检测，结果证明为CAF引起，图3引用了报告中的部分图片。

图3 样品检测情况

2.4 故障分析

2.4.1 盐雾腐蚀对CAF的影响

实践发现，在南方沿海地区，CAF最容易发生，特别是临海的酒店，CAF的发生率明显高于其他地方。而在干燥的北方地区，没有一例关于CAF的反馈。

由此分析CAF的发生与沿海的盐雾腐蚀［2］有较强的关联性。

盐雾腐蚀就是一种常见和最有破坏性的大气腐蚀。这里讲的盐雾是指含氯化物的大气，它的主要腐蚀成分是海洋中的氯化物盐——氯化钠，它主要来源于海洋和内地盐碱地区。

盐雾对金属材料表面的腐蚀是由于含有的氯离子穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应引起的。氯离子有强烈的穿透本领，很容易穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应，引起腐蚀。

从故障板、正常板的照片对比看，故障板的过孔(通孔)铜箔严重氧化，覆盖的绿油已脱落(见图4)，周围铜箔裸露、过孔内壁暴露，水汽等杂质更易渗入PCB板材。

图4 故障PCBA(左侧)过孔铜箔外露明显

2.4.2 PCB存储和使用及环境湿度的影响

根据Augis，J.A.等人的研究［3］，CAF的形成存在一个临界湿度值，湿度低于临界值时，就不会出现。相对湿度的临界值与工作电压和温度有关，PCBA(PCB组件)吸潮可能发生在用户服役寿命的任何时刻，这就能够解释CAF为何较常出现在气候湿润的南方。

2.4.3 CAF形成的化学反应式和盐雾的作用关系

CAF形成的化学过程如下:

Cu→Cu2++2e-(铜在阳极发生溶解)

H2O→H++OH-(水电离)

2H++2e-→H2(氢气析出)

铜离子在电场作用下从阳极向阴极方向发生迁移，过程中产生铜盐:

Cu2++2 OH-→Cu(OH)2

Cu(OH)2→CuO+H2O

CuO+H2O→Cu(OH)2→Cu2++2 OH-(铜盐电离，铜离子迁移)

Cu2++2e-→Cu(铜离子得到电子还原成铜并在通道内沉积)

盐雾在CAF的形成过程中，主要的作用在于形成了导电盐溶液，使溶液的导电性大大增强，加速了CAF的形成。

虽然盐雾没有直接参与CAF的化学反应，但它的破坏作用有3个步骤:

1)初期对保护油墨进行侵蚀，使铜箔外漏;

2)中期使外露铜箔氧化腐蚀;

3)后期渗透、水解PCB玻纤形成含导电盐溶液通道，加速了CAF的形成。

3 CAF预防措施

3.1 早期措施

早期，针对厦门、泉州出现的问题，采取的对策包括增加过孔距离、控制生产工艺、加热烘干和涂敷防水胶等办法进行预防。但这样做工艺过程复杂，而且不容易从根本上杜绝问题的发生，两年以后发现效果并不理想，采取以上措施新生产的液晶电视仍然在广东地区出现了一些CAF失效(经第三方机构检测确认仍为CAF失效)。

3.2 新的预防措施

根据检测报告显示，在120 h恒定湿热实验中，加载50 VDC老化电压，2块PCB样品中有1块绝缘电阻值显著下降到100 kΩ以下，随后的金相分析确认了CAF的生成;说明PCB本身在高温高湿环境下，易出现CAF失效。同时考虑所有采用4层PCB板的电视机并没有发生CAF实效，因此判断CAF与板材的相关性［4］更强。

随后经过对行业双层PCB板材质量的调查，决定换用抗CAF能力较强的PCB板材，采用型号为S1000H或型号为FR-4-86双面板，PCB成本增加约5% ～10%，结果至今两年来再没有出现CAF问题，证明了抗CAF的PCB板材对预防CAF具有重要的作用。