CAF测试系统在汽车电子可靠性测试中的应用-百川宜器
1、背景
5G将于2020年迈入商用，加上汽车走向智慧化、联网化与电动化的趋势，将带动汽车电子化水平日益提高，汽车电子占整车成本的比重也会越来越大。PCB作为汽车电子中承载电子元器件的母体，汽车电子的快速增长带来相应车用PCB需求量的快速增长。中国汽车电子市场很大程度上由世界知名汽车零部件厂商如德尔福、日本电装、博世、大陆等巨头占领。一些国内PCB制造商正积极布局车用PCB领域，但其中通过上述汽车零部件厂家认证的不多。通常汽车领域的认证需要2~4年甚至更长时间，除此之外，工艺技术能力和制程控制能力不足是导致发展进入瓶颈期的主要因素。
2、市场分析
所谓汽车电子[1]，其实是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的总称。车体汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统（车身电子ECU）。汽车电子最重要的作用是提高汽车的安全性、舒适性、经济性和娱乐性。由传感器、微处理器MPU、执行器、数十甚至上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统。车用PCB的应用领域包括以下方面：
1.动力控制系统，主要包括发动机控制单元、启动器、发电机、传输控制装置、燃油喷射、动力转向系统等；
2.车身电子系统，主要包括汽车照明、动力门、座椅、无钥匙、空调系统、胎压监测等；
3.安全控制系统，主要包括ABS、安全气囊等；
4.多媒体系统，主要包括仪表显示和娱乐装备等。
其中动力控制系统和车身电子系统作为常规的汽车电子产品，在市场中依旧占有很大的比重。安全控制系统随着汽车安全法规越来越严格，促使安全系统装载率提高，故而市场占有率增速较快，且占整个汽车电子比例较高。随着5G技术的不断发展，消费者对舒适娱乐度的需求也就越来越高，尤其是近两年，通信娱乐多媒体系统呈现出逐年上升的态势。
随着汽车的智能化、自动化以及汽车不断普及，PCB作为汽车电子系统的核心部件也就显得尤为重要。位于汽车不同部位的PCB所处环境不同，对PCB的要求也就不同，比如发动机等高热部位需要使用特殊材料（如陶瓷基、金属基、高Tg），而由于空间范围以及信号传输的要求，PCB的导线宽度以及导线间距也越来越小，层数也越来越密集，逐渐向高密度化的方向发展。而从汽车的种类来看，电动汽车用的部分PCB则需要承载更高电压和电流来实现驱动以及灵敏度的要求。同时考虑到汽车的使用环境和使用者的安全保障，车用PCB的长期可靠性要求更高。如果在产品寿命期内出现PCB可靠性失效会引起巨大损失，包括修理更换费用、汽车电路短路引起自燃、汽车行驶中电子元器件故障导致车辆失控造成人身伤害、批量召回、延长保修期，以及企业品牌形象受损等。
3、测试方案
那么到底要如何提升车用PCB的性能？业内一般会做一些PCB检测项目，然后再根据检测结果进一步改善PCB的生产工艺，并进而提高汽车电子产品的性能，其中相关的检测项目主要有以下类型：
◆1.外观检查 ◆5.材料性能
◆2.尺寸测量 ◆6.电气性能
◆3.内部结构 ◆7.化学特性
◆4.最终表面处理 ◆8.可靠性测试
使用相关的测试技术可有效降低PCB给汽车电子带来的故障风险，而在这些测试项目中，可靠性测试显得尤为重要。可靠性测试[2]就是为了评估产品在规定的寿命期间内，在预期的使用、运输或储存等所有环境下，保持功能可靠性而进行的活动。是将产品暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用，以评价产品在实际使用、运输和储存的环境条件下的性能，并分析研究环境因素的影响程度及其作用机理。通过使用各种环境试验设备模拟气候环境中的高温、低温、高温高湿以及温度变化等情况，加速反应产品在使用环境中的状况，来验证其是否达到在研发、设计、制造中预期的质量目标，从而对产品整体进行评估，以确定产品可靠性寿命。在可靠性测试中，其中最常见的就是高温高湿测试，这种测试模拟了车用PCB在日常生活中所会涉及到的各种日晒雨淋等自然气候变换，为将来汽车在工作中能更加稳定提供了有效的保障。
那么这个高温高湿试验具体到底是怎么测试的呢？首先IPC标准中有明确要求，具体的测试条款为IPC-TM-650 2.6.25 《Conductive Anodic Filament (CAF) Resistance》。另外各大知名汽车零部件厂商如德尔福、博世、大陆等也有其专门的企业测试标准，主要测试内容就是将考试板放置在85℃，85%RH的环境中处理1000小时，并在考试板的孔与孔之间、线与线之间，或者是孔与内层之间、层与层之间施加一定的电压，然后持续监控其绝缘阻值变化，通过绝缘阻值变化了解其内部可能存在的一系列问题，而这种测试最常见的缺陷就是板材内部出现了CAF现象。
所谓CAF现象，其实就是PCB内部正电位的导体金属失去电子，发生电化学溶解，铜离子在电场作用下，从阳极（高电压）沿着玻纤丝和树脂间的缝隙或其它通道向阴极（低电压）迁移, 从阴极向阳极方向形成细丝。CAF测试系统的形成有以下必不可少的条件：
1. 一定的温度湿度（高温高湿）；
2. CAF测试系统生长通道中应有阴离子存在，最普遍的阴离子是氯离子，也可能是溴离子或其他阴离子；
3. CAF测试系统通道两端的电极间需要偏置电压；
4. CAF生长的通道（纤维与树脂界面缝隙、树脂空洞、纤维空洞、压合界面缝隙、异物等）；
5. 经过一定长的时间。
如果没有上述条件，那么是没办法形成CAF现象的，相邻导体间的缝隙给CAF的形成提供了通道，电压与阴离子的存在导致铜离子在电场作用下从阳极向阴极迁移，并在阴极进行沉积生长，而这个生长不是一蹴而就的，需要一定的时间，具体形成过程见图1所示：
通过图1可以看出CAF的生长是如何产生的，并且通过一系列的观察与分析便可以基本了解具体是在哪个工艺环节可能产生了问题，从而进一步工艺改善。具体包括指导PCB设计人员选用合适的孔间距和线间距；指导PCB制造商选用最佳的耐CAF材料组合；指导PCB制造商改进生产工艺；指导CCL供应商改进材料配方和加工工艺。
4、失效分析
当然，如果需要对车用PCB厂商进行工艺以及材料选择的指导，光凭可靠性测试是不够的，此外还需要配合相关可靠性测试的失效分析。那么针对可靠性测试中的CAF失效应该如何分析呢？一般是按照图2所示流程进行：
首先根据考试板或者成品板的测试图形进行表面检查，查看是否有分层、起泡、异物或者迁移等一系列异常现象；
然后再对测试图形进行失效位置的查找，找到位置之后再对测试样品进行灌胶、研磨、抛光，通过金相显微镜观察到PCB内部的CAF迁移现象；
最后再通过扫描电镜和能谱分析，对出现CAF迁移的位置确定其元素组成。一般情况下，会在CAF测试系统失效的位置检测到有“铜”元素的存在，最后再结合CAF失效出现的位置、金相切片所观察到的内容以及用能谱分析所测到的元素，可以基本确定具体是哪个工艺或环节出现的问题，并出具报告帮助客户后续进行整改。具体的金相切片以及能谱分析案例见图3所示。
4、典型案例
当然，在实际的生产以及检测的过程中这样的案例还有很多，2013年8月，上海某公司送来一块带器件汽车电子用印制线路板，故障表现是产品在车窗关闭时会出现不受控制的现象。我们先进行了电路分析，发现样品中有两个孔之间的绝缘电阻小于107。这两个孔的绝缘电阻偏小是导致产品在使用时会发生微短路的主要原因。为了搞清楚是什么原因造成这两个孔间绝缘电阻偏小，还需要通过表面和内部分析来找到真正的原因。
首先，我们使用显微镜对这两个孔之间的表面进行观察，没有发现异常情况。接下来，对这两个孔进行了剖切，边研磨边用显微镜观察两个孔之间的材料中是否存在异常。在孔的中心位置附近，通过显微镜看到了明显的CAF（导电阳极丝）连接了两个孔，CAF测试系统的形成是导致这两个孔绝缘电阻偏小的主要原因。客户通过我们的分析报告，找到了产品失效的真正原因，为后期质量的改进提供了可靠的依据。该客户后续针对该款产品所用的板材进行了整改，并且重新调整制程工艺，调节了两个孔之间的距离，自此以后，该款产品的不良率降低了很多，为公司节约了大量的成本，也提高了公司声誉。
同样的案例还有广东某客户来样进行CAF项目的可靠性测试，测试结束后发现样品绝缘阻值失效现象很严重，于是要求进行后续的失效分析。通过对该考试板样品的表面观察，发现了很多的树枝状生长，从类型上看应该属于表面迁移的现象，但是由于迁移出现的位置比较特殊，我们便进行了放大观察，感觉该迁移的生长并非在样品表面，而是在接近表面的阻焊油墨中间。为了验证假设，我们对样品表面进行了微蚀处理，按照以往的经验，如果该迁移确实在表面，那应该是可以直接被微蚀掉的。
但是结果显示，微蚀之后，样品表面的铜确实没有了，但是树枝状生长依然还在，只是从之前的红色变成了白色，就好像一个空洞一般。由此我们可以看出，之前所观察到的迁移现象确实存在，而且是在表层阻焊油墨的内部，直接在阻焊油墨里面打了一个又一个的洞，通过微蚀之后，里面的铜没有了，最终就只留下了一个又一个的空洞。这个结果说明该产品所使用的阻焊油墨存在缝隙，有可能是固化不到位导致的，也有可能是阻焊油墨本身存在问题，同时，通过观察，该样品阻焊油墨与基材之间也同样存在迁移，具体情况如图4所示。
通过我们的分析，客户了解情况后对该阻焊油墨以及其加工工艺进行了整改，整改后再次送检样品，再也未发现这样的情况，为该公司杜绝了将来在生产中出现问题的风险。
5、如何整改
以上只是关于CAF测试系统以及后续失效分析的一些内容，但正如上述，CAF测试系统的产生除了需要生长的通道之外，还有一个重要的因素就是需要有阴离子的存在，所以车用PCB在进行高温高湿的可靠性试验之前都会先检测样品表面的阴阳离子。如果表面的离子超标，那么后期产生CAF的几率也就大大增加。那么要如何检测阴阳离子呢？车用PCB上残留的污染物以阴阳离子形式存在的称为离子污染，离子污染最明显的影响是会产生电化学迁移，严重的会引起短路。因此几大汽车零部件供应商对PCB的离子清洁度有严格规范的要求，关于离子清洁度的测试方法有三种。
目前最常使用是萃取溶液电阻率（ROSE）测试法。该方法参考IPC-TM-650 2.3.25标准[3]，以75%异丙醇加25%去离子水（体积比）为测试溶液，冲洗车用PCB表面并使残留在板面上的污染物溶解到测试溶液中。由于这些污染物中的正负离子使测试溶液的电阻率降低，溶进测试液中的离子越多其电阻率降低得也越多，二者具有反比函数关系。正是利用这种函数关系，通过测定测试液冲洗前后的电阻值及所使用测试液的体积，可以计算出PCB表面残留离子的含量，并规定以每平方厘米NaCl当量来表示，即μgNaCl/cm2。一些主要的汽车零部件供应商的测试要求具体如表1所示。
从表1可以看出，相对于IPC-6012D刚性印制板的鉴定及性能规范中≤1.56μg/cm2的要求，车用PCB的要求更严格。但是根据麦可罗泰克检测所多年的测试情况，大部分车用PCB生产企业能满足要求。
第二种离子清洁度测试方法是离子色谱法，相对于萃取溶液电阻率法测试的是整个车用PCB上离子含量的总量，离子色谱法能精确测试到车用PCB上的阴阳离子和弱有机酸的种类和含量。该方法一般参考IPC-TM-650 2.3.28或2.3.28.2标准[4]，将车用PCB放入塑料袋中，加入一定体积的萃取液，萃取液一般为75%异丙醇、25%去离子水（体积比）或10%异丙醇、90%去离子水（体积比），80℃水浴1小时，将一定体积的萃取液注入到离子色谱仪中进行分析。当然不同的汽车零部件供应商也有不同的测试要求，具体如表2所示。
相对于氯化钠当量法，离子色谱法有一个80℃水浴1小时的萃取过程，车用PCB表面的离子萃取得更加彻底，对车用PCB制造商的要求更高。相对来说，化金、化银、OSP等表面处理工艺的板较容易符合规范要求，但无铅喷锡表面处理工艺的板经常有不符合规范的情况出现，一般是氯离子会超标，推测来自喷锡时使用的助焊剂。
第三种离子清洁度测试方法是C3局部测试法，该方法的原理是使用去离子水蒸汽从局部（0.1in2）测试点上将萃取样品提取出，并在指定的离子污染限制的基础上给出“clean”或“dirty”的判定，从而判定该区域是否干净。具体要求如表3。
简单地说，在60s内收集的萃取液的漏电流值不超过500μA，判定为“clean”；在60s内超过500μA，则为“dirty”。典型的测试曲线如图5所示。
整个测试过程不超过15分钟。可以看出C3是一种快速定性的分析方法，针对的不是整板，而是一般会分析焊盘和通孔这种局部区域。要进一步定量分析，可以把收集的萃取液注入到离子色谱仪中，能分析出局部区域上残留离子的种类和含量。
综上所述，作为影响车用PCB可靠性的离子清洁度，无论是汽车零部件供应商还是整车厂都非常关注，规范的要求比普通线路板要高，甚至可以说是严苛。这就要求车用PCB制造商对生产过程严格管控，选择合适的生产原材料，选用与产品性能相配套的生产工艺和清洗工艺，甚至于在生产结束后选用合格的封装工艺和存储条件，极大程度地降低车用PCB表面的离子污染，从源头上避免产生迁移的可能性，把失效扼杀在萌芽之中，进而最终提高车用PCB的可靠性。