1. Überblick über die jüngsten PCB-Leckagen
Vor kurzem hatten wir ein Problem mit einem PCB-Leck. Es handelt sich um ein Produkt mit geringem Stromverbrauch. Das gesamte Gerät zieht normalerweise Strom im Mikroampere-Bereich (µA). Nachdem es einige Zeit bei normaler Temperatur gealtert war, stellten wir fest, dass sein Stromverbrauch anstieg. Einige Proben erreichten sogar den Milliampere-Bereich (mA).
Wir schlossen sorgfältig Bauteilfehler aus. Am Ende fanden wir einen 5-V-Knoten. Wenn sich das Produkt im Ruhezustand befand, sollte dieser Knoten 0 V betragen, aber er hatte einen Abfall von etwa 1,8 V.
Wir haben die Leiterbahnen auf der Leiterplatte vorsichtig durchtrennt. Zu unserer Überraschung konnten zwei Durchkontaktierungen, die keine elektrische Verbindung auf der Leiterplatte hatten, gemessen werden und zeigten einen Widerstand von mehreren hundert Ohm zwischen ihnen. Wir haben die Designdateien überprüft. Es handelt sich um eine zweilagige Leiterplatte. Durchkontaktierungs- und Pad-Abstand > 6 mil. Loch-Wand-Abstand > 18 mil. Dieses Design ist normal für Standardbohrungen in der Leiterplattenindustrie.
Wir entfernten die Lötmaske, um leitende Verunreinigungen auf der Maske oder der Via-Oberfläche auszuschließen. Der gemessene Widerstand zwischen den Durchkontaktierungen war immer noch vorhanden. Eine Zeit lang konnten wir uns das nicht erklären. Dann entdeckten wir, dass die Leckage durch den “CAF-Effekt” verursacht wurde.”
2. Was ist der CAF?
CAF bedeutet Conductive Anodic Filamentation. Dabei handelt es sich um ein Leckageverhalten innerhalb einer Leiterplatte, bei dem sich Kupferionen von der Anode (höhere Spannung) entlang von Mikrorisskanälen zwischen Glasfasern zur Kathode (niedrigere Spannung) bewegen. Während dieses Prozesses kommt es durch Kupfer und Kupfersalze zu Leckagen.
Auf dem Bild sieht das Laminat nach dem Abschleifen zweier benachbarter Durchkontaktierungen in Längsrichtung und der Betrachtung unter dem Elektronenmikroskop bei 100× dunkel aus. Die hellen goldenen Bereiche sind Kupfer. Zwischen den beiden Durchkontaktierungen sind Kupferflecken und Kupferfäden zu sehen.
3. Wie das CAF entsteht (Mechanismus)
Normal fr4 PCB-Laminat wird hergestellt, indem Glasfasern zu einem Gewebe gewebt, dann mit Epoxidharz benetzt und halb ausgehärtet werden. Wenn die Haftung zwischen Harz und Glasfasern schlecht ist oder das Harz das Glas nicht vollständig benetzt, können Lücken zwischen ihnen entstehen. Bei der mechanischen Bearbeitung, z. B. beim Bohren, können tangentiale Zugkräfte und axiale Stöße die Harzbindung weiter beschädigen. Dadurch können sich Faserbündel lockern oder trennen und Lücken entstehen.
Wenn die Umgebung heiß und feucht ist, verschlechtert sich die Haftung zwischen Epoxidharz und Glasfaser stärker. Silan-Haftvermittler auf der Glasfaseroberfläche können hydrolysieren. Dadurch entstehen Pfade entlang der Glasfaserverstärkung, die eine Elektronenwanderung ermöglichen.
Unter diesen Bedingungen kann das Kupfer an der Anode mit der höheren Spannung zu Kupferionen oxidieren, wenn zwei nahegelegene Durchführungen eine Potenzialdifferenz aufweisen. Unter dem elektrischen Feld bewegen sich die Kupferionen in Richtung der Kathode mit niedrigerer Spannung. Während der Wanderung verbinden sie sich mit Verunreinigungsionen im Laminat oder mit OH- zu unlöslichen Leitsalzen, die sich ablagern. Infolgedessen verringert sich der elektrische Abstand zwischen den beiden isolierenden Durchkontaktierungen stark. In schweren Fällen können sie sogar eine direkte Leiterbahn bilden und einen Kurzschluss verursachen.
Reaktionen an der Anode und Kathode (wie beobachtet):
Anode:
Cu → Cu²⁺ + 2 e-
H₂O → H⁺ + OH-
Kathode:
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. Anmerkungen aus unserer Erfahrung
Bevor wir wussten, dass die Ursache CAF war, wurden wir durch den Widerstand zwischen zwei isolierten Durchkontaktierungen verblüfft. Nachdem wir die Literatur durchsucht hatten, fanden wir heraus, dass viele Kollegen das gleiche Problem hatten. CAF hat sich in der Leiterplattenindustrie zu einem bemerkenswerten Zuverlässigkeitsproblem entwickelt.
5. Wie man CAF verhindern oder reduzieren kann
Verbessern Sie die Beständigkeit des Laminats gegen CAF. Erhöhen Sie beim PCB-Substratprozess die Ionenreinheit des Materials. Verwenden Sie Harze mit geringer Feuchtigkeitsabsorption. Sicherstellen, dass das Glasgewebe vollständig vom Harz benetzt wird und gut haftet.
Seien Sie vorsichtig beim Bohren oder Lasern über Prozesse. Beim Bohren oder Lasern kann lokal große Hitze entstehen. Wenn die Temperatur den Tg-Wert der Leiterplatte überschreitet, kann das Harz schmelzen und Rückstände bilden. Rückstände an den Lochwänden können zu schlechtem Kontakt beim Beschichten führen. Entfernen Sie daher die Rückstände vor dem Beschichten. Hinweis: Das Einweichen während der Rückstandsentfernung kann die Durchgangslöcher erodieren und eine Kupferverunreinigung verursachen, was eine spätere Kupfermigration erleichtern kann.
Vergrößerung der Via-zu-Via-Abstände in PCB-Design. Außerdem folgen die CAF-Kanäle in der Regel demselben Glasfaserbündel. Durch das Versetzen benachbarter Durchkontaktierungen lässt sich das CAF-Risiko verringern.
Reinigen Sie die PCBA-Oberflächen. Verwenden Sie z. B. eine Hochdruckluftpistole, um Staub zu entfernen und Verunreinigungen zu vermeiden, die unerwünschte elektrochemische Reaktionen verursachen könnten. Tragen Sie eine Schutzbeschichtung auf die PCBA-Oberfläche auf, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern, insbesondere in heißen und feuchten Umgebungen.
