CAF (ang. Conductive Anodic Filament) to jedno ze szkodliwych zjawisk elektrochemicznych, które może wystąpić w procesie użytkowania modułów elektronicznych na bazie PCB. Powstawanie przewodzących dendrytów w laminacie powoduje upływności, zwarcie a w konsekwencji awarię urządzenia Zrozumienie tego zjawiska jest kluczowe dla projektantów elektroniki, producentów PCB i OEM-ów szczególnie w kontekście nowoczesnych urządzeń elektronicznych radiowych (np. IoT), gdzie miniaturyzacja, żywotność urządzenia, zasilanie bateryjne i wysokie gęstości połączeń sprawiają, że CAF staje się poważnym zagrożeniem.
Zjawisko CAF występuje w płytkach PCB, gdy w materiale dielektrycznym laminatu pomiędzy dwoma sąsiednimi przewodnikami pod wpływem napięcia elektrycznego tworzy się przewodzące włókno, w wyniku elektrochemicznej migracji jonów miedzi, które przemieszczają się w każdej wolnej przestrzeni wzdłuż (lub wewnątrz) włókien i warstw laminatu PCB. Zjawisko to powstaje przy spełnieniu kilku warunków: wolnej przestrzeni tj. kapilary na granicy żywica włókno szklane, wilgoci, bliskiej odległości między przelotkami lub ścieżkami, różnicy potencjałów i niskiego napięcia do 5V.
Mikropęknięcia w laminacie PCB oraz słaba adhezja między warstwami laminatu również sprzyjają powstawaniu CAF. Tego typu uszkodzenia mogą umożliwić migrację miedzi wzdłuż włókien szklanych w strukturze laminatu. Przypadki, w których materiały wykorzystywane do produkcji płytek drukowanych są niskiej jakości, również mogą przyczynić się do rozwoju przewodzących włókien anodycznych.
Ważnym czynnikiem ryzyka wystąpienia CAF jest orientacja włókien szklanych w laminacie PCB i zastosowany rodzaj splotu. Ułożenie włókien wpływa na powstawianie przestrzeni pomiędzy włóknami, czyli obszarów dla migracji jonów miedzi. Dlatego dobór odpowiedniej orientacji włókien i rodzaju splotu w procesie produkcji laminatu może pomóc w zmniejszeniu ryzyka CAF.
Rodzaj utwardzacza żywicy używanego w procesie produkcji laminatu także ma znaczenie w kontekście CAF. Najbardziej powszechnym i tradycyjnym środkiem sieciującym stosowanym w FR-4 i wielu innych systemach na bazie epoksydu jest dicyjan diamid (dicy). Kombinacja hydrofilowej powierzchni i hydrofilowego (dicy) środka sieciującego wydaje się być odpowiedzialna za mechanizm, w którym CAF występuje wzdłuż włókien szklanych na granicy żywicy. Badania wykazały, że żywice usieciowane Non-Dicy wykazywały znacznie mniejszą tendencję do CAF
Niewłaściwy proces wiercenia otworów w PCB może prowadzić do powstawania efektu crazing, czyli przestrzeni pomiędzy żywicą epoksydową a pojedynczymi włóknami szklanymi, która może się rozprzestrzeniać wraz z cyklami termicznymi związanymi z montażem i przeróbką, a także w środowisku końcowego użytkowania. Przyczyną jest postrzępienie krawędzi otworu przelotki, wyrwania niektórych włókien, a w efekcie końcowym, powstania przestrzeni dla wilgoci i skrócenia odległości, którą jony miedzi mają do wypełnienia, co sprzyja rozwojowi zjawiska CAF i CFF (conductive filament formation). Właściwa jakość wiercenia jest kluczowa dla utrzymania integralności materiału i zmniejszenia ryzyka uszkodzeń. Wymagania jakościowe dla wykonania PCB i jakości przelotek określają normy IPC-6012C-2010 i IPCA- 600.
Jednym z najbardziej niepożądanych skutków zjawiska CAF jest powstawanie zwarć. Przewodzące włókna anodyczne mogą łączyć ze sobą różne ścieżki, przelotki lub warstwy w strukturze PCB, prowadząc do spięć. Zwarcia te mogą powodować poważne problemy z funkcjonowaniem urządzenia, a w przypadku zastosowań krytycznych, takich jak w przemyśle motoryzacyjnym czy lotniczym, mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa. Zjawisko CAF jest szczególnie kłopotliwe, w przypadku urządzeń bateryjnych np. radiowych dedykowanych na 10 lat, które powodują rozładowanie się źródła zasilania i zatrzymanie pracy urządzenia w krótkim czasie np. po roku pracy.
Najważniejszym środkiem prewencyjnym jest odpowiedni projekt uwzględniający ryzyko powstania zjawiska CAF. Rozwiązania radiowe, zasilanie bateryjne, planowana długa żywotność obwodu – czyli czas na niekorzystną migrację jonów miedzi w pustych przestrzeniach między punktami o różnej biegunowości. Większe i właściwe odległości między padami, ścieżkami i przelotkami o różnej biegunowości ograniczają ryzyko powstania, co zmniejsza prawdopodobieństwo migracji miedzi lub opóźnia w czasie.
Istotnym sposobem zapobiegania zjawisku CAF jest wybór wysokiej jakości materiałów do produkcji PCB. Wybierając laminaty o niskiej absorpcji wilgoci, możemy zminimalizować ryzyko migracji miedzi i powstawania przewodzących włókien. Użycie materiałów odpornych na CAF w znacznym stopniu zwiększa żywotność urządzenia.
W procesie montażu płytek PCB ważne jest zapewnienie odpowiedniego suszenia laminatów przed lutowaniem. Suszenie pozwala usunąć nadmiar wilgoci, który mógłby przyczynić się do migracji jonów miedzi i powstawania CAF. Po procesie lutowania pozostawiona wilgoć jest zamknięta w laminacie, a potencjalny wpływ otoczenia np. suszenie, jest niewielki.
Najważniejszą metodą minimalizującą ryzyko CAF jest uwzględnienie w projekcie tego zjawiska jeśli warunki użytkowania urządzenia na to wskazują. Są to: długa żywotność urządzenia, zasilanie bateryjne, niskie napięcie do ok. 5V, podwyższona wilgotność, a podwyższona temperatura praktycznie występuje zawsze. Takie warunki pracy dają czas i szansę na utworzenie się ścieżek powodujących zwarcia, które unieruchomią urządzenie. Właściwe projektowanie poprzez unikanie przelotek, zachowanie właściwych odległości pomiędzy ścieżkami, przelotkami o różnych potencjałach i dobór właściwego laminatu, może opóźnić lub zredukować do minimum możliwość powstawania zjawiska CAF.
Odpowiednia kontrola wilgotności i warunków przechowywania i transportu płytek PCB jest standardem dla wszystkich laminatów ze względu na ryzyko rozwarstwienia w procesie lutowania. równie istotna. Jest to oczywiste przy ryzyku wystąpienia zjawiska CAF.
W trudnych warunkach, takich jak wysoka wilgotność czy narażenie na chemikalia, stosowanie lakierów ochronnych lub zalew na gotowych płytkach PCB może pomóc w zapobieganiu powierzchniowego zawilgocenia obwodów, jednak doświadczenie wskazuje, że nie zapobiega to powstawaniu CAF wewnątrz laminatu.
CAF w PCB to poważne zagrożenie dla niezawodności i funkcjonowania nowoczesnych urządzeń elektronicznych. Zjawisko to, polegające na powstawaniu przewodzących włókien anodycznych, może prowadzić do zwarć i awarii urządzeń płytek drukowanych. Aby zapobiec temu problemowi, należy zadbać o odpowiedni projekt obwodów, stosować wysokiej jakości materiały, redukować możliwość wystąpienia wilgoci w laminacie. Prewencja jest kluczowa, aby zapewnić niezawodność pracy, szczególnie w wymagających zastosowaniach, takich jak przemysł lotniczy, motoryzacyjny czy pomiarowy w szczególności w zastosowaniach IoT.
