1. Πρόσφατη επισκόπηση του προβλήματος διαρροής PCB
Αντιμετωπίσαμε πρόσφατα ένα ζήτημα διαρροής PCB. Το προϊόν είναι χαμηλής ισχύος. Ολόκληρη η συσκευή αντλεί κανονικά ρεύμα σε επίπεδο μικροαμπέρ (μΑ). Μετά από γήρανση σε κανονική θερμοκρασία για κάποιο χρονικό διάστημα, διαπιστώσαμε ότι η κατανάλωση ισχύος της αυξήθηκε. Ορισμένα δείγματα έφτασαν ακόμη και σε επίπεδο milliamp (mA).
Αποκλείσαμε προσεκτικά σφάλματα εξαρτημάτων. Στο τέλος βρήκαμε έναν κόμβο 5 V. Όταν το προϊόν βρισκόταν σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας, αυτός ο κόμβος θα έπρεπε να είναι 0 V, αλλά είχε πτώση περίπου 1,8 V.
Κόβουμε προσεκτικά τα ίχνη PCB. Προς έκπληξή μας, δύο vias που δεν είχαν καμία ηλεκτρική σύνδεση στην πλακέτα μπορούσαν να μετρηθούν και έδειχναν αντίσταση αρκετών εκατοντάδων ωμ μεταξύ τους. Ελέγξαμε τα αρχεία σχεδιασμού. Πρόκειται για πλακέτα δύο στρώσεων. Η απόσταση μεταξύ των διαύλων και των μαξιλαριών > 6 mil. Απόσταση μεταξύ οπών και τοιχωμάτων > 18 mil. Αυτός ο σχεδιασμός είναι φυσιολογικός για τις τυπικές γεωτρήσεις στη βιομηχανία PCB.
Αφαιρέσαμε τη μάσκα συγκόλλησης για να αποκλείσουμε την αγώγιμη μόλυνση στη μάσκα ή στην επιφάνεια των διαύλων. Η μετρούμενη αντίσταση μεταξύ των vias εξακολουθούσε να υφίσταται. Δεν μπορούσαμε να το εξηγήσουμε για λίγο. Στη συνέχεια ανακαλύψαμε ότι η διαρροή οφειλόταν στο “φαινόμενο CAF”.”
2. Τι είναι το CAF
CAF σημαίνει Conductive Anodic Filamentation. Πρόκειται για μια συμπεριφορά διαρροής στο εσωτερικό μιας πλακέτας όπου ιόντα χαλκού κινούνται από την άνοδο (υψηλότερη τάση) κατά μήκος των καναλιών μικρορωγμών μεταξύ των υαλοϊνών προς την κάθοδο (χαμηλότερη τάση). Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ο χαλκός και τα άλατα χαλκού προκαλούν διαρροή.
Στην εικόνα, μετά την λείανση δύο παρακείμενων διαμπερών οπών κατά μήκος και την εξέτασή τους σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο 100×, το έλασμα φαίνεται σκούρο. Οι φωτεινές χρυσές περιοχές είναι χαλκός. Μπορείτε να δείτε κηλίδες χαλκού και νημάτια χαλκού μεταξύ των δύο vias.
3. Πώς διαμορφώνεται το CAF (μηχανισμός)
Κανονικό fr4 PCB laminate κατασκευάζεται με την ύφανση ινών γυαλιού σε ύφασμα, κατόπιν διαβροχή με εποξειδική ρητίνη και ημίσκληρυνση. Εάν η πρόσφυση μεταξύ ρητίνης και γυάλινης ίνας είναι ανεπαρκής ή η ρητίνη δεν διαβρέχει πλήρως το γυαλί, μπορεί να εμφανιστούν κενά μεταξύ τους. Κατά τη διάρκεια της μηχανικής επεξεργασίας, όπως η διάτρηση, η εφαπτομενική έλξη και η αξονική κρούση μπορούν να βλάψουν περαιτέρω τη συγκόλληση της ρητίνης. Αυτό μπορεί να χαλαρώσει ή να διαχωρίσει τις δέσμες ινών και να δημιουργήσει κενά.
Όταν το περιβάλλον είναι θερμό και υγρό, η πρόσφυση μεταξύ εποξειδικού υλικού και υαλοϊνών υποβαθμίζεται περισσότερο. Οι παράγοντες σύζευξης σιλανίου στην επιφάνεια της ίνας γυαλιού μπορούν να υδρολυθούν. Αυτό δημιουργεί μονοπάτια κατά μήκος της ενίσχυσης της ίνας γυαλιού που επιτρέπουν τη μετανάστευση ηλεκτρονίων.
Δεδομένων αυτών των συνθηκών, εάν δύο κοντινά vias έχουν διαφορά δυναμικού, ο χαλκός στην άνοδο υψηλότερης τάσης μπορεί να οξειδωθεί σε ιόντα χαλκού. Υπό το ηλεκτρικό πεδίο, τα ιόντα χαλκού κινούνται προς την κάθοδο χαμηλότερης τάσης. Κατά τη διάρκεια της μετανάστευσης, συνδυάζονται με ιόντα πρόσμιξης στο έλασμα ή με OH- για να σχηματίσουν αδιάλυτα αγώγιμα άλατα, τα οποία εναποτίθενται. Ως αποτέλεσμα, η ηλεκτρική απόσταση μεταξύ των δύο μονωτικών οπών μειώνεται απότομα. Σε σοβαρές περιπτώσεις, μπορούν ακόμη και να σχηματίσουν άμεση αγώγιμη διαδρομή και βραχυκύκλωμα.
Αντιδράσεις στην άνοδο και την κάθοδο (όπως παρατηρήθηκαν):
Άνοδος:
Cu → Cu²⁺ + 2 e-
H₂O → H⁺ + OH-
Κάθοδος:
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. Σημειώσεις από την εμπειρία μας
Πριν μάθουμε ότι η αιτία ήταν η CAF, μας μπέρδεψε η αντίσταση μεταξύ δύο μονωμένων vias. Αφού ψάξαμε στη βιβλιογραφία, διαπιστώσαμε ότι πολλοί συνάδελφοι είχαν υποστεί το ίδιο πρόβλημα. Το CAF έχει γίνει ένα αξιοσημείωτο ζήτημα αξιοπιστίας στη βιομηχανία PCB.
5. Πώς να αποτρέψετε ή να μειώσετε το CAF
Βελτίωση της αντοχής του ελάσματος στο CAF. Για τη διαδικασία υποστρώματος PCB, αυξήστε την καθαρότητα των ιόντων του υλικού. Χρησιμοποιήστε ρητίνες χαμηλής απορρόφησης υγρασίας. Βεβαιωθείτε ότι το υαλοβάμβακας είναι πλήρως διαβρεγμένο από τη ρητίνη και συνδέεται καλά.
Να είστε προσεκτικοί με τη διάτρηση ή το λέιζερ μέσω διαδικασιών. Η διάτρηση ή το λέιζερ μπορεί να παράγουν υψηλή τοπική θερμότητα. Εάν η θερμοκρασία υπερβαίνει την Tg της πλακέτας, η ρητίνη μπορεί να λιώσει και να σχηματίσει υπολείμματα. Τα υπολείμματα στα τοιχώματα των οπών μπορεί να προκαλέσουν κακή επαφή κατά την επιμετάλλωση. Επομένως, αφαιρέστε τα υπολείμματα πριν από την επιμετάλλωση. Σημείωση: η διαβροχή κατά την αφαίρεση των καταλοίπων μπορεί να διαβρώσει τις διαμπερείς οπές και να προκαλέσει μόλυνση χαλκού, η οποία μπορεί να διευκολύνει τη μεταγενέστερη μετανάστευση χαλκού.
Αύξηση της απόστασης via-to-via σε Σχεδιασμός PCB. Επίσης, τα κανάλια CAF ακολουθούν συνήθως την ίδια δέσμη υαλοϊνών. Η κλιμάκωση ή η αντιστάθμιση των γειτονικών vias συμβάλλει στη μείωση του κινδύνου CAF.
Καθαρίστε τις επιφάνειες PCBA. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήστε ένα αεροβόλο πιστόλι υψηλής πίεσης για την απομάκρυνση της σκόνης και την αποφυγή υπολειμμάτων ακαθαρσιών που θα μπορούσαν να προκαλέσουν ανεπιθύμητη ηλεκτροχημεία. Εφαρμόστε μια σύμμορφη επίστρωση στην επιφάνεια PCBA για να αποτρέψετε την είσοδο υγρασίας, ειδικά σε θερμά και υγρά περιβάλλοντα.
