1000V多通道CAF/SIR实时监控系统

1000V多通道CAF/SIR实时监控系统




SIRSurface Insulation Resistance))∶表面绝缘阻抗,通常用来作电路板的信赖性试验,其方法为在印刷电路板(PCB)上将成对的电极交错连接成梳形电路(Pattern,并印上锡膏(solder paste),然后在一定高温高湿的环境下持续地给予一定偏压(BIAS VOLTAGE),经过一定长时间的试验(24H.48H.96H.168H)并观察线路间是否有瞬间短路或出现绝缘失效的缓慢漏电情形发生。这个试验也有助看出锡膏中的助焊剂或其他化学物品在PCB板面上是否有残留任何会影响电子零件电气特性的物质。

CAFConductive Anodic Filament∶是导电性阳极丝,是PCB内部的 Cu离子沿着玻纤的微裂通道或接口部位,从阳极向阴极方向生长而形成导电性细丝物的现象。指的是PCB 内部铜离子从阳极(高电压)沿着玻纤丝间的微裂通道,向阴极(低电压)迁移过程中发生的铜与铜盐的漏电行为。当 PCB/PCBA在高温高湿的环境下带电工作时,两绝缘导体间可能会产生严重的沿着树脂或玻纤界面生长的CAF,此现象将最终导致绝缘不良甚至短路失效。

CAF阳极离子迁移

原理:

由于PCB基材的绝缘层是由树脂与玻璃布所构成,当在高电压状态下,通孔与通孔、线路与线路、线路与通孔间形成一个电场,而PCB湿制程很多,水分中或板面清洁不良残留的电解质可能经由钻孔产生的微裂缝顺着玻璃纤的方向迁移产生短路,造成绝缘失效,这种现象称为CAF阳极性玻纤丝的漏电现象。CAF测试通过监控测试单元的电阻,当CAF发生时,绝缘层的绝缘性能下降,电阻也随之下降,由此可判断CAF的失效。

测试标准:

IPC-TM-650 2.6.25

模块要求:

1. IPC-9253和IPC-9254 A1-A4测试结构

10层板,尺寸大约125*175mm。测试板需要为CAF测试钻不同孔壁间距的孔。这些距离可以低到0.15mm,为了有很高的阻抗阳极离子迁移和最小的镀通孔灯芯;距离最大可以达到0.89mm,用来测试压合的程序。钻孔的大小在图表中有规定来保持一致的间距。测试板的玻纤方向应该与同网络的A1-A4的测试孔垂直。测试板的设计需要有足够的外层空间保证不会出现表面绝缘的失效。

A1-A4每组有5排导通的通孔。每组中有42个通孔,有的连接到阳极,有的连接到阴极。通过在不同组或环状通孔间,使用不同的刀径钻同样的1mm,来保持每个结构中的孔边间距不同。除了钻孔用的刀大小不一致和一些盘的小改动之外,4个结构是一样的。这4个结构A1-A4通过玻璃纤维连接在一起。因为A1-A4容易在一个方向上发生阳极离子迁移,所以测试板的玻纤方向应该与同网络的测试孔垂直。

A和B测试结构中,内层和外层的盘是一样的,在给定的测试结构中,盘的大小通常是一样的,虽然在每个结构中都会变化。所有第2层中电导通的通孔在第9层中重复出现,所以单层的蚀刻不会造成影响。孔与电极的连接在内层而不是在外层,来降低外层绝缘失效的可能性。


1 两种CAF测试版的设计


1 A1-A4结构设计规则

2. IPC-9253和IPC-9254 B1-B4测试结构

4个B测试结构中,有7组交互的通孔。每组中有26个或27个连接到阳极或阴极的通孔。在给定的测试结构中,10层中内层和外层的盘是一样的。虽然在给定的测试结构中,每个盘的大小是一样的,但是在不同的结构中盘的大小也随之变化。层1中出现的孔和电极导通,同样在第10层出现,单层的蚀刻不会造成影响。

2 B1-B4测试结构的设计规则


2 CAF测试板通孔-通孔间距设计

3. 其他结构

C结构用来测量镀通孔到平面层的距离。如果测试中包含这块,则按照IPC-A-47或者IPC-2221中的图形设计。IPC-9253中的D方案是用来测量压配合销连接器装置的CAF阻抗。



4. CAF测试板设计

这个需要测量电路板内部导体之间的绝缘阻抗的10层测试板,需要有以下这些用来测试孔-孔CAF阻抗值的关键特征。(如图2)

线状排列的孔:两组42个信号-1的通孔和三组42个信号-2的通孔网状分布;每段间距总共168个可能失效的镀通孔-镀通孔。

孔错列(最近的镀通孔-镀通孔的斜间距):三组26个信号-1的通孔和四组27个信号-2的通孔网状分布;每段间距总共312个可能失效的镀通孔-镀通孔。

例图:1428个I/O的BGA图案上,有500个power/ground针脚。两个临近针脚间的空间大概有1000个线-线,孔-孔的实效点。具有三个这样图形的BGA板上,还有1200个无源或其他与相近的power/ground针脚组成的空间。这样线-线,孔-孔间CAF失效可能点就有4200个。



仪器材料:

1. 干净的测试仓,保持65±2℃或者85±2℃和87+3/-2%的相对湿度,带有易于连接到测试样品的线缆;

2. 高等电阻表,最高能够测量1012欧姆并在100±2V的直流电压下,1010欧姆阻值时,保持±5%的精度。或者能够读取10-10A的电表,并在100±2V的直流电压下能够保持±5%的精度;

3. 电源,10-100V直流电压,公差±2V,电流至少1A;

4. 电阻器,用106欧姆的电阻串联,保证通过线路的电流不会过大而损坏电路板,但测量设备和线路的总电阻不得超过200欧姆;

5. 连接线,PTFE或PFE的隔热材料包铜线,把线直接焊接在电路板上需要测量的点上;

6. 固定装置。

试样准备:

保持测试样品无污染,做好标记,用无污染手套移动样品。做好预先准备,防止短路和开路。清洁后连接导线,连接后再清洁。烘干,在105±2oC下烘烤6小时。进行预处理,在中立环境下,保持23±2oC和50±5%的相对湿度至少24h。

测试方法:

1. 在该测试方法中相对湿度的严格控制是关键性的。5%的相对湿度偏差会造成电阻量测结果有0.5到1.0decade的偏差。在有偏置电压加载的情况下,一旦水凝结在测试样品表面,有可能会造成表面树枝状晶体的失效。当某些烤箱的空气循环是从后到前的时候,也可能发现水分。凝结在冷凝器窗口上的水有可能形成非常细小的水滴最终掉落在样品表面上。这样可能造成树枝状晶体的生长。这样的情况必须被排除,确保能够得到有意义的测试结果。虽然环境试验箱被要求能够提供并记录温度为65±2℃或85±2℃、相对湿度为87+3/-2%RH的环境,其相对湿度的波动时间越短越好,不允许超过5分钟。

2. 测量电阻。采用50V的直流偏置电压,用100V的测试电压测试每块板的菊花链网络的绝缘电阻前至少充电60S的时间。偏置电压的极性和测试电压的极性必须随时保持一致。

3. 在初始的绝缘电阻测量后关闭测试系统,使样品在65±2℃或85±2℃、相对湿度为87+3/-2%RH、无偏压的环境下静置96个小时(±30分钟)。96个小时(±30分钟)的静置期后,在每个菊花链网络和地之间测试绝缘电阻。

4. 确认所有的测试样品的连接是有效的,每个测试电路对应适当的限流电阻。然后将测试板与电源相连开始进行T/H/B部分的CAF测试。

5. 确认适当的偏置电压已经被加载在样品上进行周期性测试。为了比较不同内层材料和制程的耐CAF性能,使用100V直流偏压的标准CAF测试条件。为了确认测试结果与实际寿命之间的关系,第二个偏置电压条件需要选择给定的最高工作电压的两倍。当一个较小的偏置电压不能有效地区别更多不同的耐CAF材料和制程时,更高的偏置电压由于会线性地影响失效时间,应该被避免采用。这是因为过高的偏置电压会抵消掉相对湿度的影响,而相对湿度由于局部加热的原因是非常重要的失效机制部分。

6. 在96个小时的静置时间后,测试电压和偏置电压的极性必须是始终一致的。

7. 在整个测试过程中,建议每24到100个小时需要换用另外的电阻检测器,确保测试电压和偏置电压的极性始终一致。在电阻测量过程中,为了保证测试的准确性,如果观察到周期性的电阻突降,也应该被算作一次失效。因为阳极导电丝是很细的,很容易被破坏掉。当50%的部分已经失效了,测试即可停止。当CAF发生时,电阻偏小,施加到CAF失效两端的电压会下降。当测试网络的阻值接近限流电阻的阻值时,显得尤为明显。所以在整个测试过程中,并不需要调整电压。

8. 500个小时的偏置电压后(一共596个小时),像之前一样重新进行绝缘电阻的测量。

9. 在500小时的偏压加载后,可以进行额外的T/H/B条件。然而,最少要进行500小时加载偏置电压的测试,来作为CAF测试的结果之一。

10. 在确定为CAF失效之前,应该确认连接线两端的电阻是不是要小于菊花链区域的电阻。做法是将菊花链附近连接测试线缆的线路切断。所有的测试结束后,如果发现某块测试板连接线两端的电阻确实小于菊花链区域的电阻,那么这块测试板就不能作为数据分析的依据。

结果判定:

1. 96小时静置后绝缘电阻R1≤107欧姆,即判定样本失效。

2. 当最终测试绝缘电阻R2<108欧姆,或者在测试过程中有3次记录或以上出现R2<108欧姆即判定样本失效。


产品正面结构示意图:



产品背面结构示意图:



多通道CAF/SIR实时监控系统参数

类型

1000V

通道数

110-256

测试组数

1-4组

工作时间

1-9999小时

测试电压

1-1000VDC(0.1步进)

电阻测量范围

1*106-1*1013Ω

电阻测量精度

1*106-1*109Ω≤5.0%

1*109-1*1010Ω≤1.0%

1*1010-1*1013Ω≤20.0%

电流测量精度

±1%+10pA

测试间隔时间

5-600分钟

测试速度

5秒/通道(典型)

高阻判定阈值

1*106-1*109Ω

保护电阻

1MΩ

测试电缆

线材

同轴镀银铜线

涂层

特氟龙,≥1014Ω,250°C

接头

BNC

长度

3.5米

测试仪器

KEITHLEY6514/SM7110

适用操作系统

Windows

*本系统只提供自有版权的实时监测操作软件;Windows操作系统、MS-office软件及相关数据库由客户自行购买。
*该系统可根据客户的不同需求,定制特殊要求以实现更多功能。