1. Pregled nedavnog problema curenja na PCB-u
Nedavno smo se suočili s problemom curenja na štampanoj pločici (PCB). Proizvod je niskopotrošnje. Cijeli uređaj obično vuče struju na nivou mikroampera (µA). Nakon starenja na normalnoj temperaturi neko vrijeme, primijetili smo da mu je potrošnja energije porasla. Neki su uzorci čak dostigli nivo miliampera (mA).
Pažljivo smo isključili kvarove komponenti. Na kraju smo pronašli 5 V čvor. Kada je proizvod bio u stanju mirovanja, taj čvor je trebao biti na 0 V, ali je imao pad napona od oko 1,8 V.
Pažljivo smo presjekli tragove na PCB-u. Na naše iznenađenje, dvije vije koje nisu imale električnu vezu na PCB-u mogle su se izmjeriti i pokazale su otpor od nekoliko stotina oma među njima. Provjerili smo datoteke dizajna. To je dvostruka ploča. Razmak između vija i razmak između padova > 6 mil. Razmak između zida rupe i padova > 18 mil. Ovaj dizajn je uobičajen za standardno bušenje u industriji PCB-a.
Uklonili smo masku za lemljenje kako bismo isključili vodljivu kontaminaciju na maski ili površini via. Mjereni otpor između via i dalje je postojao. Neko vrijeme nismo mogli objasniti zašto. Zatim smo otkrili da je curenje uzrokovano “CAF efektom.”
2. Šta je CAF
CAF znači Conductive Anodic Filamentation. To je curenje unutar štampane pločice (PCB) pri kojem se bakrovi ioni kreću od anode (viši napon) kroz mikrokanale pukotina između staklenih vlakana prema katodi (niži napon). Tokom ovog procesa bakar i bakrene soli uzrokuju curenje.
Na slici, nakon uzdužnog brušenja dvije susjedne via i njihovog pregleda pod elektronskim mikroskopom pri uvećanju od 100×, laminat izgleda tamno. Svijetla zlatna područja su bakar. Možete vidjeti bakarne mrlje i bakarne filamente između te dvije via.
3. Kako se formiraju CAF (mehanizam)
Normalno FR4 laminat za štampane pločice Pravi se tkanjem staklenih vlakana u tkaninu, zatim natapanjem epoksidnom smolom i polu-sušenjem. Ako je adhezija između smole i staklenih vlakana slaba ili smola ne natapa u potpunosti staklo, mogu se pojaviti praznine između njih. Tokom mehaničke obrade, poput bušenja, tangencijalno povlačenje i aksijalni udar mogu dodatno oštetiti vezu smole. To može olabaviti ili odvojiti snopove vlakana i stvoriti praznine.
Kada je okruženje vruće i vlažno, adhezija između epoksida i staklenih vlakana dodatno se pogoršava. Silanski spojni agensi na površini staklenih vlakana mogu se hidrolizirati. To stvara puteve duž ojačanja od staklenih vlakana koji omogućavaju migraciju elektrona.
Uzimajući u obzir ove uslove, ako dvije obližnje via imaju potencijalnu razliku, bakar na anodi višeg napona može se oksidovati u bakarne ione. Pod uticajem električnog polja, bakarni ioni se kreću prema katodi nižeg napona. Tokom migracije, oni se kombinuju sa jonima nečistoća u laminatu ili sa OH– da formiraju netopive provodne soli, koje se talože. Kao rezultat toga, električni razmak između dvije izolacione via naglo opada. U teškim slučajevima, one mogu čak formirati direktan provodnički put i izazvati kratki spoj.
Reakcije na anodi i katodi (kao što je uočeno):
Anoda:
Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻
H₂O → H⁺ + OH⁻
Katoda:
2 H⁺ + 2 e⁻ → H₂
Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)₂
Cu(OH)₂ → CuO + H₂O
CuO + H₂O → Cu(OH)₂ → Cu²⁺ + 2 OH⁻
Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu
4. Bilješke iz našeg iskustva
Prije nego što smo saznali da je uzrok CAF, bili smo zbunjeni otporom između dvije izolirane provodne veze. Nakon pretraživanja literature, otkrili smo da su mnogi kolege imali isti problem. CAF je postao značajan problem pouzdanosti u industriji tiskanih pločica.
5. Kako spriječiti ili smanjiti CAF
Poboljšajte otpornost laminata na CAF. Za proces PCB podloge povećajte ionsku čistoću materijala. Koristite smole s niskom apsorpcijom vlage. Osigurajte da je staklena tkanina potpuno natopljena smolom i dobro prianja.
Budite oprezni pri bušenju ili laserskom izradi vijaka. Bušenje ili laserska obrada mogu proizvesti visoku lokalnu toplinu. Ako temperatura premaši Tg ploče, smola se može otopiti i stvoriti ostatke. Ostaci na zidovima rupa mogu uzrokovati loš kontakt tijekom pozlatbe. Stoga uklonite ostatke prije pozlatbe. Napomena: namakanje tijekom uklanjanja ostataka može erodirati prolazne rupe i uzrokovati kontaminaciju bakrom, što može olakšati kasniju migraciju bakra.
Povećajte razmak između via-a i via-a u Dizajn štampane pločice. Također, CAF kanali obično prate isti snop staklenih vlakana. Pomicanje ili pomjeranje susjednih via pomaže smanjiti rizik od CAF-a.
Očistite površine PCBA. Na primjer, upotrijebite pištolj za visokotlačno zraku kako biste uklonili prašinu i spriječili ostatke nečistoća koji bi mogli izazvati neželjenu elektrokhemiju. Nanesite konformni premaz na površinu PCBA kako biste spriječili prodiranje vlage, posebno u vrućim i vlažnim uvjetima.
