為什么硬件的靜態(tài)功耗慢慢變大了，有的功能也不正常了？

這兩天幫一個朋友分析硬件問題，再一次遇到了神秘現(xiàn)象。

一款小型化的模塊產(chǎn)品，在老化的過程中出現(xiàn)了一定數(shù)量的不良品，不良現(xiàn)象為無法通信，把主芯片更換一下會好，再換回來也沒問題，初步定為為焊接不良。

然而，一次不小心，只是用風槍吹了一下模塊，模塊就神奇的回復正常了。

也許你也遇到過這樣的情景，當你用風槍把模塊吹正常后，使用了一段時間后，它又不正常了。

還有，你可能懷疑某兩個引腳短路了，但無論正面反面，一番查找，也沒有看到有什么黏連的地方，用萬用表一測，滴的一聲，待到你去看儀表屏幕時，它居然又是斷開的了。

如果大家在工作中遇到這樣的情況，請關注我，接下來我給大家解開這個謎題。

首先，上面的現(xiàn)象通常會發(fā)生在多層板，高密度板中，單面板往往很少出現(xiàn)這樣的問題。其實，這是一個典型的 CAF 問題。CAF 是什么呢？

什么是 CAF？

CAF，全稱為導電性陽極絲(CAF：Conductive Anodic Filamentation)， 指的是PCB內部銅離子從陽極（高電壓）沿著玻纖絲間的微裂通道，向陰極（低電壓）遷移過程中發(fā)生的銅與銅鹽的漏電行為。

如下圖片，對兩個相鄰的兩個過孔進行縱向研磨，置于電子顯微鏡下放大100倍，板材呈黯淡顏色，亮金色部分則為銅，可以看到在兩個過孔間，有銅點、銅絲存在。

這些銅絲非常細微，用X 光也看不到的，我們只能一層一層的研磨，然后使用顯微鏡來觀察。

想象一下，如果你的兩個相鄰的過孔之間出現(xiàn)了一個細小的銅絲，你的電路板會發(fā)生什么情況？

如果是電源和地的過孔發(fā)生 CAF，那么你的板子的靜態(tài)功耗就會變大了，能變多大取決于這根細銅絲有多粗了。

如果是兩個通信引腳之間發(fā)生 CAF，那么你的通信質量將下降，神秘的現(xiàn)象就出現(xiàn)了。

為什么會出現(xiàn) CAF？

我們知道，目前大部分的電子設備的基板選擇的是 FR4，這種板材的中文名稱更直接一些，叫玻纖板。

常規(guī)的玻纖板是由玻璃絲編制成的玻璃布，然后涂上環(huán)氧樹脂半固化后制成的。如果你對這種結構沒有認知，可以拉起衣服仔細看看，沒錯，就跟你的衣服一樣，縱橫交錯的細線編制出來的結構。

樹脂與玻纖之間的附著力不足或含浸時膠性不良，兩者之間容易出現(xiàn)間隙，加之在鉆孔等機械加工過程中，由于切向拉力及縱向沖擊力的作用對樹脂粘合力的進一步破壞，可能造成玻纖束被拉松或分離而出現(xiàn)間隙。

在高溫高濕的環(huán)境下，環(huán)氧樹脂與玻纖之間的附著力更加出現(xiàn)劣化，并促成玻纖表面硅烷偶聯(lián)劑化學水解，沿著玻纖增強材料形成可供電子遷移的通路；

通俗來講，你可以想象成蓋樓房時，我們已經(jīng)把鋼筋骨架綁好了，現(xiàn)在要澆灌水泥了，澆灌的過程中存在不均勻，水泥不均勻固化不一致，挨著鋼筋的地方縮水了，沒有和鋼筋緊密的貼合，留了一個縫隙。又或者，房子蓋好了，你要在墻壁上打一個洞，鉆孔的時候不小心鉆到了鋼筋上面，由于擠壓震動，原本鋼筋水泥結合完美的地方，硬生生的被你震動出一條縫隙來。

所以，在我們的 PCB 板中來看，就是環(huán)氧樹脂和玻璃纖維之間出現(xiàn)了一條縫隙。

如上圖，黃色部分的兩條豎井就是我們 PCB 上面的過孔，指示的玻纖部分就是橫向的玻璃纖維，縱向的在上面圖中應該是一些圓點，沒有畫出來。

那么如果出現(xiàn) CAF 現(xiàn)象，那會是怎么樣的呢？

可以想象，沿著玻纖的軌跡，在兩個過孔之間就形成了一條通道，銅離子或者同氧化物就會沿著這條通道遷移，兩邊同時遷移，最終在中間的某一個位置相遇相知相交，你的板子就此形成了短路。

由于導電材質的電阻熱效應，如果我們試圖去測量它的時候，電流產(chǎn)生的熱量又會熔斷這條相交的細絲，以至于出現(xiàn)開頭我講到的，用萬用表測量一下就開路了。如果我們試圖去復現(xiàn)一下，有適合也是很困難，比如我們上電調試一下，一不小心，小細絲就被熔斷了，故障現(xiàn)象消失。

哪些條件會觸發(fā) CAF 發(fā)生

首先，我們必須有一個通道，沿著玻纖的一條裂縫，這一點的產(chǎn)生，我們在上面已經(jīng)講過了。其次，我們需要在這條裂縫的兩端施加偏壓，讓它形成一個電勢差，這樣才能給銅離子的移動提供動力。再次，銅離子遷移過程中需要再次通過化學反應變成銅，附著在玻璃纖維上形成銅膜，這就需要水或者其他可以支持反應的溶劑。最后，我們還需要有銅的存在，不然就沒有銅離子了。當然我們就那一塊沒有覆銅的玻璃纖維板，它也不會自己發(fā)生 CAF。知道了以上四個觸發(fā) CAF 的必要條件后，要想阻止?CAF 發(fā)生，我們只需要阻斷其中一個就可以了。

CAF 出現(xiàn)的位置有哪些？

CAF 最容易出現(xiàn)的地方就是過孔與過孔之間，因為鉆孔的周圍更容易出現(xiàn)裂縫，再加上高密度板對空間的要求，我們設計的時候往往會將兩個過孔擠到一起，于是 CAF 變產(chǎn)生了。

如果是多層板，要小心相鄰的內電層是否有可能出現(xiàn) CAF 的情況，因為內電層的壓層比較近，更容易導致通道的產(chǎn)生。

另外，表層的線路如果離得非常近的話，也會產(chǎn)生 CAF 現(xiàn)象，這是表現(xiàn)為兩條線之間的玻璃纖維上產(chǎn)生銅膜。

如何避免 CAF 的發(fā)生。

首先，我們可以想辦法避免通道的產(chǎn)生，比如選用質地更好的板材，結實點的，不吸水的，可以選擇 Tg 值高的。一般的板廠是可以選擇抗 CAF 板材的。另外對于板廠的工藝也需要關注，比如鉆孔的工藝，就像我們在墻上打孔一樣，看手藝，大廠的設備好，工藝規(guī)范肯定一致性好，手工打孔肯定不行。其次，裂縫兩端的偏壓也可以做一定的處理，當然完全避免偏壓肯定沒有意義，畢竟我們的是電路板，不是水泥墻，我們需要電壓來使得我們的板子運行起來。但是我們可以避免過高的偏壓，這也有涉及到了我們在 Layout 時的一些注意事項，要盡量讓高低壓型號分開，一方面是避免高壓信號影響小信號，產(chǎn)生串擾，另一方面也是防止過高的偏壓產(chǎn)生 CAF。第三，避免板子工作在有水的環(huán)境，哈哈，有點強詞奪理，不過我們可以對 PCB 板進行三防涂覆，或者使用外殼來做到防水防潮，不過，一般情況下，我們很難做到完全的防潮。并且，除了高溫高濕的環(huán)境，我們的板子上面還有很多助焊劑，也會在加工過程中滲透到玻纖板中。第四，沒有銅好像不行，這條先過。還有一些其他的方式，在設計方面我們可以做以下幾點：

1. 降低過孔的密度。 畢竟這條通道裂縫的產(chǎn)生不會無限制的長，往往只是一小段，尤其是過孔周圍的一掉小段，只要我們拉開兩個過孔，或者過孔與內層布線的距離，就可以大概率的避免這個通道的出現(xiàn)。
   如果有很多個引腳扇出孔，為了讓過孔間距更遠，那么應該交錯的排列所有過孔。