۱. مروری بر مشکل نشت اخیر PCB
ما اخیراً با مشکل نشت PCB مواجه شدیم. این محصول کممصرف است. کل دستگاه معمولاً جریان در حد میکروآمپر (µA) میکشد. پس از پیرسازی در دمای معمولی برای مدتی، متوجه شدیم مصرف توان آن افزایش یافته است. برخی نمونهها حتی به سطح میلیآمپر (mA) رسیدند.
ما با دقت نقص قطعات را رد کردیم. در نهایت یک گره ۵ ولتی پیدا کردیم. وقتی محصول در حالت خواب بود، این گره باید صفر ولت باشد، اما حدود ۱.۸ ولت افت داشت.
ما با دقت ردهای PCB را قطع کردیم. به تعجب ما، دو ویای که هیچ اتصال الکتریکی روی PCB نداشتند قابل اندازهگیری بودند و مقاومت چند صد اهمی بین آنها اندازهگیری شد. ما فایلهای طراحی را بررسی کردیم. این برد دو لایه است. فاصله ویاز و پدها بیش از ۶ میل است. فاصله بین دیواره سوراخها بیش از ۱۸ میل است. این طراحی برای سوراخکاری استاندارد در صنعت PCB معمولی است.
ما ماسک لحیمکاری را برداشتیم تا آلودگی رسانا روی سطح ماسک یا ویایها را منتفی کنیم. مقاومت اندازهگیریشده بین ویایها همچنان وجود داشت. مدتی نتوانستیم آن را توضیح دهیم. سپس متوجه شدیم نشت ناشی از “اثر CAF” است.”
۲. CAF چیست؟
CAF مخفف Conductive Anodic Filamentation است. این پدیده نشتی درون برد مدار چاپی (PCB) است که در آن یونهای مس از آند (ولتاژ بالاتر) از طریق کانالهای ریزترک بین الیاف شیشهای به سمت کاتد (ولتاژ پایینتر) حرکت میکنند. در این فرایند، مس و نمکهای مس باعث نشتی میشوند.
در تصویر، پس از تراشیدن طولی دو ویای مجاور و مشاهده آنها زیر میکروسکوپ الکترونی با بزرگنمایی ۱۰۰ برابر، لامینیت تیره به نظر میرسد. نواحی طلایی روشن در واقع مسی هستند. میتوانید نقاط مسی و رشتههای مسی را بین دو ویا ببینید.
۳. نحوه تشکیل CAF (مکانیسم)
طبیعی لامینت PCB FR4 این کار با بافتن الیاف شیشهای در پارچه و سپس خیس کردن آن با رزین اپوکسی و نیمهپختن انجام میشود. اگر چسبندگی بین رزین و الیاف شیشهای ضعیف باشد یا رزین نتواند بهطور کامل الیاف را خیس کند، ممکن است شکافهایی بین آنها ایجاد شود. در حین عملیات مکانیکی مانند سوراخکاری، کشش مماسی و ضربه محوری میتواند چسبندگی رزین را بیشتر آسیب دهد. این امر میتواند دستههای الیاف را شل یا جدا کرده و شکافهایی ایجاد کند.
وقتی محیط گرم و مرطوب باشد، چسبندگی بین اپوکسی و الیاف شیشه بیشتر کاهش مییابد. عاملهای کوپلینگ سیلان روی سطح الیاف شیشه میتوانند هیدرولیز شوند. این امر مسیرهایی را در امتداد تقویتکننده الیاف شیشه ایجاد میکند که امکان مهاجرت الکترون را فراهم میآورد.
با توجه به این شرایط، اگر دو ویای مجاور دارای اختلاف پتانسیل باشند، مس در آند با ولتاژ بالاتر میتواند اکسید شده و به یونهای مس تبدیل شود. تحت میدان الکتریکی، یونهای مس به سمت کاتد با ولتاژ پایینتر حرکت میکنند. در طول مهاجرت، آنها با یونهای ناخالصی در لامینیت یا با OH⁻ ترکیب شده و نمکهای رسانای نامحلول تشکیل میدهند که رسوب میکنند. در نتیجه، فاصله الکتریکی بین دو ویای عایقشده بهطور چشمگیری کاهش مییابد. در موارد شدید، آنها حتی میتوانند یک مسیر رسانای مستقیم تشکیل داده و باعث اتصال کوتاه شوند.
واکنشها در آند و کاتد (مشاهدهشده):
آند:
مس → یون مس²⁺ + ۲ الکترون⁻
H₂O ← H⁺ + OH⁻
کاتد:
۲ H⁺ + ۲ 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
۴. یادداشتهایی از تجربه ما
قبل از اینکه بفهمیم علت CAF است، از وجود مقاومت بین دو گذرگاه عایقشده سر در گم بودیم. پس از جستوجو در متون، دریافتیم بسیاری از همکاران نیز با همین مشکل مواجه شدهاند. CAF به یک مسئله قابل توجه در زمینه قابلیت اطمینان در صنعت PCB تبدیل شده است.
۵. چگونه از CAF جلوگیری یا آن را کاهش دهیم
مقاومت لمینت در برابر CAF را بهبود دهید. برای فرآیند زیرلایه PCB، خلوص یونی مواد را افزایش دهید. از رزینهای با جذب رطوبت پایین استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که پارچه شیشهای بهطور کامل با رزین آغشته شده و بهخوبی چسبیده باشد.
در فرایندهای سوراخکاری یا لیزری ویایاحتیاط کنید. سوراخکاری یا لیزر میتواند گرمای موضعی زیادی تولید کند. اگر دما از دمای انتقال شیشهای (Tg) برد فراتر رود، رزین ممکن است ذوب شده و باقیمانده ایجاد کند. باقیمانده روی دیوارههای سوراخ میتواند در حین آبکاری باعث تماس ضعیف شود. بنابراین قبل از آبکاری، باقیمانده را حذف کنید.توجه: خیساندن در حین حذف باقیمانده میتواند سوراخهای عبوری را فرسایش دهد و باعث آلودگی به مس شود که میتواند مهاجرت مس بعدی را آسانتر کند.
افزایش فاصله بین وی-تو-وی در طراحی PCB. همچنین، کانالهای CAF معمولاً از همان دستهٔ الیاف شیشهای پیروی میکنند. جابهجایی یا قرار دادن غیرهممحور ویازهای مجاور به کاهش خطر CAF کمک میکند.
سطوح برد مدار چاپی نصبشده (PCBA) را تمیز کنید. برای مثال، از تفنگ هوای پرفشار برای حذف گرد و غبار استفاده کنید و از باقیماندههای ناخالصی که ممکن است باعث واکنشهای الکتروشیمیایی ناخواسته شوند، جلوگیری کنید. یک پوشش تطبیقی روی سطح PCBA اعمال کنید تا از نفوذ رطوبت، بهویژه در محیطهای گرم و مرطوب، جلوگیری شود.
