Insert CAF your title here. The base for innovation

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1 Insert CAF your title here Conductive Anodic Filament The base for innovation März 2015

2 Was ist CAF? Der Ausfallmechanismus CAF Conductive anodic filaments wurde erstmals 1970 vom Bell Laboratory beschrieben. CAF ist die Bildung von leitfähigen Verbindungen zwischen 2 Potentialen (von der Anode zur Kathode) im Basismaterial, durch Cu Korrosionsprodukte, entlang der Glasfaserverstärkung im FR4 Was fördern CAF? Miniaturisierung der Schaltungen, Erhöhung der Schaltungsdichte Verwendung unter extremen Umweltbedingungen, Feuchte bleifreier Lötprozesse, hohe Belastung des Materials

3 Einflussfaktoren Potentialdifferenz Feuchtigkeit leitfähige Verunreinigungen Kapillaren entlang der Glasfasern Pathway

4 Einflussfaktoren Basismaterialeinfluss? Potentialdifferenz nein - Layout und Schaltungsgestaltung Feuchtigkeit nein - Umweltbedingungen leitfähige Verunreinigungen bedingt - Harzchemie des Basismaterials Kapillaren entlang der Glasfasern Pathway ja - Benetzung des Glasgewebes / Glasgewebe

5 Wie entsteht CAF Voraussetzungen Ionen Feuchtigkeit elektrische Spannung Empfindlichkeit ph sauer Schädigung z.b. Reflow Korrosion an Anode Leitung, Bahn Pathway - Elektrochemische Zelle - Mobile Korrosionsprodukte - Migration entlang des Pathway Ergebnis CAF - Ansteigen des ph Wertes - Ablagerung von Cu - Salzen Quelle: How to Avoide Conductive Anodic Filaments (CAF), Ling Zou & Chris Hunt, NPL. 2013

6 Arten von CAF Anode + Kathode - Anode + Anode + Kathode - Kathode - Fall 1 anodische Bohrung zu kathodischer Bohrung Fall 2 anodische Bohrung zu kathodischer Leiterbahn auf der Innenlage Fall 3 anodische Bohrung zu kathodischer Leiterbahn auf der Außenlage

7 Fall 4 Fall 4 anodische Cu Heatsink (GND) zu kathodischem Layout getrennt durch nur ein 1080 Prepreg Abhilfe, Verwendung von 2 x 106 Kathode - Anode + Quelle: vertraulich

8 Wirkungszusammenhang Anode + Kathode - Anode: Cu (s) Cu n+ (aq) + n e- Entstehung von H + Ionen H 2 O ½ O 2(g) + 2H + + 2e - niedriger ph sauer hoher ph alkalisch Wachstumsrichtung Pathway Entstehung von OH - Ionen Kathode: 2 H 2 O + 2e - H 2(g) + 2OH - Cu n+ (aq) + ne - Cu (s) Quelle: Alan Brewin of NPL

9 Gleichgewichtspotential Passivierung Korrosion Vereinfachtes Pourbaix-Diagramm 2,3 Korrosion führt zu CAF 0 Cu stabil -1, ph Quelle: Alan Brewin of NPL

10 Harzchemie Dicyandiamide Phenolic Curing Agent

11 Freies Dicy im Lamiant Messung - HPLC Chromatogramm reines Dicyandiamide Standard Laminat Extrakt Laminat Extrakt mit angepasster chemischer Zusammensetzung Durch die Anpassung des Harzsystems konnten erste Verbesserungen erzielt werden

12 0,28 mm 0,38 mm 0,50 mm 0,64 mm Ausfallrate in % nach 500 h Dicy vs Phenolisch gehärtet High Tg FR4 100 V (dicy cured) High Tg FR4 10 V IS V (phenolic cured) IS V Bohrungsabstand HASL Endoberfläche 500 Stunden Je 25 Testcoupons

13 Schädigung durch Thermostress Ausgangszustand / Bohrungsabstand 0,45 mm x 100 x µm Nach 3 x Lötschocktest bei 288ºC/10secs x 100 x µm Quelle: Photos courtesy of YS Boo,Isola Asia Pacific

14 Feuchteaufnahme 23 C / 50% RF

15 Feuchteaufnahme 40 C / 96% RF

16 Neue Gewebetypen Standardgewebe Spread Fibers bessere Benetzbarkeit erhöhte Beständigkeit gegen CAF ebenere Filament Verteilung neue Glasgewebe Sorten: 1067, 1086,

17 Glasgewebetyp 1080 / 1086 Standard Square Weave Spread Fibers Glasgewebe Spread** Gewicht (g/m²) Fadenzahl pro cm 23.6 x x x 23.6 Garn (Kette / Schuss) EC5 11 / EC5 11 EC5 11 / EC5 11 EC5 11 / EC5 11 Glasdicke (mm) Verpresste Dicke* (mm)

18 Silan Finish Mechanismus Haftvermittler zwischen dem Glasgewebe und dem Harzsystem chemische Bindung

19 Silan Haftvermittler Chemically Bonded Interface Diffuse Interface Coupling agent Polymer Quelle: Dow Corning Corporation

20 Benetzungsgeschwindigkeit Finish A Finish B Zeit (s) Quelle: Isola Fabrics s.r.l.

21 Benetzungsverhalten gute Benetzung der Glasfasern schlechte Benetzung Pathway

22 Benetzungsqualität gute Benetzung Finish A Finish B schlechte Benetzung Quelle: Photos courtesy of YS Boo, Isola Asia Pacific

23 Quelle: vertraulich Benetzungsqualität / Schädigung

24 Einfluss des Reflow Prozesses Intitial 3xreflow 3xreflow T (h) t 0 (h) On the authority of Continental Nürnberg Condition: 0,45 mm wall to wall / 100 V / 85 C / 85% rh

25 CAF

26 Widerstandsmessung Veränderung des Isolationswiderstandes während der Messung Testbedingung: 50V DC at 110 and 85%rh, PWB C, 0.5/0.2 Leak current setting, 1μA resistance, 5 x 10 7 Ω Quelle: Espec Technology Report No.24

27 Weibull Diagramm verschiedene Bohrungsabstände Testbedingung: 50V DC for 3000 hours at 85, 85%rh verschiedene Bohrungsdurchmesser Quelle: Espec Technology Report No.24

28 CAF - Manhatten Effekt

29 Glasgewebe Abmessung Y1 Y2 Y3 X3 Fadenabstand X2 Fadenbreite X1 Fadenhöhe Abmessungen Gewebe X1 X2 X3 Y1 Y2 Y µm 122 µm 470 µm 15 µm 259 µm 523 µm µm 225 µm 363 µm 20 µm 315 µm 348 µm µm 208 µm 432 µm 28 µm 307 µm 569 µm µm 274 µm 422 µm 25 µm 373 µm 434 µm 2113/ µm 267 µm 432 µm 25 µm 389 µm 462 µm µm 333 µm 411 µm 38 µm 279 µm 414 µm µm 321 µm 376 µm 43 µm 320 µm 361 µm µm 358 µm 437 µm 51 µm 368 µm 439 µm µm 389 µm 444 µm 74 µm 404 µm 477 µm µm 578 µm 578 µm 86 µm 578 µm 749 µm

30 Überlegung zum Design Der durchschnittliche Gewebe Pitch beträgt ca. 450 µm. Zur Vermeidung von CAF sollten kritische Bohrungen möglichst um 45 (staggered) versetzt angeordnet werden. Der Manhatten Effekt, das Überspringen des Pathway von einem Glasfaden auf einen anderen Glasfaden, ist sehr unwahrscheinlich. durchschnittlicher Gewebe Pitch 450 µm CAF Pathway (unwahrscheinlich)

31 DRC - Design Rule Check FlowCAD

32 DRC - Design Rule Check FlowCAD

33 DRC - Design Rule Check FlowCAD

34 DRC - Design Rule Check FlowCAD

35 Quelle: Preventlab s.r.l - Metallographic Laboratory - Via sempione 26, Vergiate (VA) Das darf nicht sein!

36 Normiert auf Zeit bis zum Ausfall Ausfallursachen gut 1,5 Spannung 800µm Hersteller Orientierung Reflow Endoberfläche Tg 1,0 Low 0,5 Non Dicy cured C Via Anode staggered fine 500µm none Isola Ag high high With pads 0-0,5 400µm 300µm Dicy cured B A Via Cahtode X Y heavy 3x Pb free Others NiAu HASL OSP low low Via only -1,0 High schlecht -1,5 Gap Härtersystem Polarität Glasgewebe Basismaterial Bohrgeschw. Pad Quelle: Data source Brewin, Zou and Hunt, National Physical Laboratory and Isola

37 Zusammenfassung Einflussfakoren Abstand Bohrung zu Bohrung hat den größten Einfluss je kleiner der Abstand desto größer die Gefahr anliegende Spannung (Potentialdifferenz) hat einen signifikanten Einfluss Basismaterialien es bestehen erhebliche Unterschiede in der CAF Resistenz bei Einsatz unterschiedlicher Härtersysteme Maßnahmen Glasgewebe, Finish und Benetzung Harzfornulierung, none Disy, niedrige Wasseraufnahme Thermische Beständigkeit, Vermeidung von Delaminationen

38 Ein gutes Material und ein schlechter Hersteller ergeben kein gutes Ergebnis. Aber ein guter Hersteller macht aus einem schlechten Material auch kein gutes Ergebnis!!

39 Isola - the base for innovation Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Roland Schönholz Leiter Anwendungstechnik Head of application engineering roland.schoenholz@isola-group.com Tel DSTF, DSRFoil, DSRFoil, GETEK, I-Fill, I-Speed, I-Tera, IsoDesign, Isola, IsoStack, Norplex, Polyclad, RCC, Lo-Flo and TURBO are registered trademarks of Isola USA Corp. in the U.S.A. and other countries. The Isola logo is a trademark of Isola USA Corp. in the U.S.A. and other countries. All other trademarks mentioned herein are property of their respective companies. Copyright 2013 Isola Group, S.à.r.l. All rights reserved.