1. Přehled nedávných problémů s úniky PCB
Nedávno jsme se potýkali s problémem úniku PCB. Výrobek má nízkou spotřebu energie. Celé zařízení běžně odebírá proud na úrovni mikroampérů (µA). Po určité době stárnutí při normální teplotě jsme zjistili, že jeho spotřeba energie vzrostla. Některé vzorky dokonce dosáhly hodnoty miliampér (mA).
Pečlivě jsme vyloučili závady komponent. Nakonec jsme našli uzel 5 V. Když byl výrobek v režimu spánku, mělo být v tomto uzlu 0 V, ale byl v něm pokles asi o 1,8 V.
Pečlivě vyřezáváme stopy na deskách plošných spojů. K našemu překvapení bylo možné změřit dvě průchodky, které neměly na desce plošných spojů žádné elektrické spojení a vykazovaly mezi sebou odpor několik set ohmů. Zkontrolovali jsme návrhové soubory. Jedná se o dvouvrstvou desku. Rozteč průchodek a podložek > 6 mil. Rozteč mezi otvory a stěnami > 18 mil. Tato konstrukce je běžná pro standardní vrtání v průmyslu plošných spojů.
Odstranili jsme pájecí masku, abychom vyloučili vodivé znečištění na povrchu masky nebo průchodek. Naměřený odpor mezi průchodkami stále existoval. Chvíli jsme si to nedokázali vysvětlit. Pak jsme zjistili, že únik je způsoben “efektem CAF”.”
2. Co je CAF
CAF znamená Conductive Anodic Filamentation (vodivá anodická filamentace). Jedná se o únikové chování uvnitř desky plošných spojů, kdy se ionty mědi pohybují od anody (vyšší napětí) podél mikrotrhlinových kanálků mezi skleněnými vlákny směrem ke katodě (nižší napětí). Během tohoto procesu dochází k úniku mědi a měďnatých solí.
Na obrázku po podélném vybroušení dvou sousedních průchodek a pohledu na ně pod elektronovým mikroskopem při 100× vypadá laminát tmavě. Světlé zlaté oblasti jsou měděné. Mezi oběma průchodkami jsou vidět měděné skvrny a měděná vlákna.
3. Jak se tvoří CAF (mechanismus)
Normální fr4 laminát PCB se vyrábí vetkáním skleněných vláken do tkaniny, následným smáčením epoxidovou pryskyřicí a polotvrdnutím. Pokud je přilnavost mezi pryskyřicí a skleněnými vlákny špatná nebo pokud pryskyřice sklo zcela nenamočí, mohou mezi nimi vzniknout mezery. Při mechanickém zpracování, jako je vrtání, může tangenciální tah a axiální ráz dále poškodit spojení pryskyřice. To může uvolnit nebo oddělit svazky vláken a vytvořit mezery.
V horkém a vlhkém prostředí dochází k větší degradaci adheze mezi epoxidem a skleněnými vlákny. Silanové spojovací látky na povrchu skleněných vláken mohou hydrolyzovat. Tím se podél výztuže ze skleněných vláken vytvoří cesty, které umožňují migraci elektronů.
Za těchto podmínek, pokud mají dvě blízké průchodky rozdíl potenciálů, může měď na anodě s vyšším napětím oxidovat na měďnaté ionty. Pod elektrickým polem se ionty mědi pohybují směrem ke katodě s nižším napětím. Během migrace se spojují s ionty nečistot v laminátu nebo s OH- za vzniku nerozpustných vodivých solí, které se usazují. V důsledku toho prudce klesá elektrická vzdálenost mezi oběma izolačními průchodkami. V závažných případech mohou dokonce vytvořit přímou vodivou cestu a zkrat.
Reakce na anodě a katodě (podle pozorování):
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. Poznámky z našich zkušeností
Než jsme zjistili, že příčinou je CAF, zmátl nás odpor mezi dvěma izolovanými průchodkami. Po prohledání literatury jsme zjistili, že stejným problémem trpělo mnoho kolegů. CAF se stal pozoruhodným problémem spolehlivosti v průmyslu plošných spojů.
5. Jak předcházet nebo omezit CAF
Zlepšení odolnosti laminátu vůči CAF. U procesu výroby substrátu PCB zvyšte iontovou čistotu materiálu. Používejte pryskyřice s nízkou absorpcí vlhkosti. Zajistěte, aby skleněná tkanina byla plně smáčena pryskyřicí a dobře se spojovala.
Buďte opatrní při vrtání nebo laserování. Vrtání nebo laser mohou vytvářet vysoké lokální teplo. Pokud teplota překročí Tg desky, může se pryskyřice roztavit a vytvořit zbytky. Zbytky na stěnách otvorů mohou způsobit špatný kontakt při pokovování. Před pokovováním proto zbytky odstraňte. Poznámka: namáčení během odstraňování zbytků může způsobit erozi průchozích otvorů a může způsobit kontaminaci mědí, což může usnadnit pozdější migraci mědi.
Zvětšení vzdálenosti mezi průchozími zařízeními v Návrh desek plošných spojů. Také kanály CAF obvykle sledují stejný svazek skleněných vláken. Odstupňování nebo odsazování sousedních kanálů pomáhá snižovat riziko CAF.
Vyčistěte povrchy PCBA. Například pomocí vysokotlaké vzduchové pistole odstraňte prach a vyhněte se zbytkům nečistot, které by mohly způsobit nežádoucí elektrochemii. Naneste na povrch desky PCBA konformní povlak, abyste zabránili vnikání vlhkosti, zejména v horkém a vlhkém prostředí.
