1. Oversigt over de seneste problemer med PCB-lækager
Vi stod for nylig over for et problem med PCB-lækage. Produktet er strømbesparende. Hele enheden trækker normalt strøm på mikroampere-niveau (µA). Efter aldring ved normal temperatur i nogen tid fandt vi ud af, at strømforbruget steg. Nogle prøver nåede endda op på milliampere-niveau (mA).
Vi udelukkede omhyggeligt komponentfejl. Til sidst fandt vi en 5 V-knude. Når produktet var i dvale, skulle denne node være 0 V, men den havde et fald på ca. 1,8 V.
Vi skar forsigtigt PCB-spor over. Til vores overraskelse kunne to vias, som ikke havde nogen elektrisk forbindelse på printet, måles og viste en modstand på flere hundrede ohm mellem dem. Vi tjekkede designfilerne. Det er et printkort med to lag. Viaafstand og padafstand > 6 mil. Afstand mellem huller og vægge > 18 mil. Dette design er normalt for standardboringer i printkortindustrien.
Vi fjernede loddemasken for at udelukke ledende forurening på masken eller via-overfladen. Den målte modstand mellem viaerne eksisterede stadig. Vi kunne ikke forklare det i et stykke tid. Så opdagede vi, at lækagen skyldtes “CAF-effekten”.”
2. Hvad er CAF?
CAF betyder Conductive Anodic Filamentation. Det er en lækageadfærd inde i et printkort, hvor kobberioner bevæger sig fra anoden (højere spænding) langs mikrosprækkekanaler mellem glasfibre mod katoden (lavere spænding). Under denne proces forårsager kobber og kobbersalte lækage.
På billedet ser laminatet mørkt ud, når man har slebet to tilstødende vias i længderetningen og kigget på dem under et elektronmikroskop ved 100×. De lyse guldområder er kobber. Man kan se kobberpletter og kobberfilamenter mellem de to vias.
3. Hvordan CAF dannes (mekanisme)
Normal fr4 PCB-laminat fremstilles ved at væve glasfibre ind i klud og derefter fugte med epoxyharpiks og halvhærde. Hvis vedhæftningen mellem harpiks og glasfiber er dårlig, eller harpiksen ikke fugter glasset helt, kan der opstå huller mellem dem. Under mekanisk bearbejdning som f.eks. boring kan tangentielle træk og aksiale stød beskadige harpiksbindingen yderligere. Dette kan løsne eller adskille fiberbundter og skabe huller.
Når miljøet er varmt og fugtigt, nedbrydes vedhæftningen mellem epoxy og glasfiber mere. Silankoblingsmidler på glasfiberoverfladen kan hydrolyseres. Det skaber stier langs glasfiberarmeringen, som tillader elektronvandring.
Hvis to vias i nærheden har en potentialeforskel, kan kobber ved anoden med højere spænding under disse forhold oxideres til kobberioner. Under det elektriske felt bevæger kobberionerne sig mod katoden med lavere spænding. Under vandringen kombineres de med urenhedsioner i laminatet eller med OH- for at danne uopløselige ledende salte, som aflejres. Som følge heraf falder den elektriske afstand mellem de to isolerende vias kraftigt. I alvorlige tilfælde kan de endda danne en direkte ledende sti og kortslutte.
Reaktioner ved anoden og katoden (som observeret):
Anode:
Cu → Cu²⁺ + 2 e-
H₂O → H⁺ + OH-
Katode:
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. Noter fra vores erfaringer
Før vi vidste, at årsagen var CAF, var vi forvirrede over modstanden mellem to isolerede vias. Efter at have søgt i litteraturen fandt vi ud af, at mange andre havde haft det samme problem. CAF er blevet et bemærkelsesværdigt pålidelighedsproblem i printkortindustrien.
5. Hvordan man forebygger eller reducerer CAF
Forbedre laminatets modstandsdygtighed over for CAF. For PCB-substratprocessen skal materialets ionrenhed øges. Brug harpiks med lav fugtabsorption. Sørg for, at glasdugen er helt fugtet af harpiks og binder godt.
Vær forsigtig med boring eller laser via processer. Boring eller laser kan producere høj lokal varme. Hvis temperaturen overskrider kortets Tg, kan harpiks smelte og danne rester. Rester på hulvægge kan forårsage dårlig kontakt under plettering. Fjern derfor rester før plettering. Bemærk: Blødgøring under fjernelse af rester kan erodere gennemgående huller og kan forårsage kobberforurening, hvilket kan gøre senere kobbermigration lettere.
Øg afstanden fra via til via i PCB-design. Desuden følger CAF-kanaler normalt det samme glasfiberbundt. Ved at forskyde eller udligne nabokanalerne kan man reducere CAF-risikoen.
Rengør PCBA-overflader. Brug f.eks. en højtryksluftpistol til at fjerne støv og undgå urenheder, der kan forårsage uønsket elektrokemi. Påfør en konform belægning på PCBA-overfladen for at forhindre fugtindtrængning, især i varme og fugtige miljøer.
