1. Viimeaikainen PCB-vuotokysymys Yleiskatsaus
Meillä oli hiljattain PCB-vuotokysymys. Tuote on pienitehoinen. Koko laite kuluttaa normaalisti mikroampeeritason (µA) virtaa. Kun laite oli vanhentunut normaalissa lämpötilassa jonkin aikaa, huomasimme sen virrankulutuksen kasvaneen. Joissakin näytteissä virrankulutus nousi jopa milliampeeritasolle (mA).
Suljimme huolellisesti pois komponenttiviat. Lopulta löysimme 5 V:n solmun. Kun tuote oli lepotilassa, tämän solmun pitäisi olla 0 V, mutta siinä oli noin 1,8 V:n pudotus.
Leikkaamme piirilevyn jäljet huolellisesti. Yllätykseksemme kaksi läpivientiä, joilla ei ollut sähköistä yhteyttä piirilevyyn, voitiin mitata, ja niiden välinen vastus oli useita satoja ohmeja. Tarkistimme suunnittelutiedostot. Kyseessä on kaksikerroksinen piirilevy. Läpivientiväli ja läpivientiväli > 6 mil. Reikien ja seinien väli > 18 mil. Tämä rakenne on normaali piirilevyteollisuuden vakioporauksessa.
Poistimme juotosmaskin sulkeaksemme pois johtavan saastumisen maskissa tai läpivientien pinnalla. Mitattu vastus läpivientien välillä oli edelleen olemassa. Emme osanneet selittää sitä vähään aikaan. Sitten huomasimme, että vuoto johtui “CAF-ilmiöstä”.”
2. Mikä on CAF
CAF tarkoittaa johtavaa anodista filamentointia. Se on piirilevyn sisäinen vuotokäyttäytyminen, jossa kupari-ionit liikkuvat anodilta (korkeampi jännite) lasikuitujen välisiä mikrosärökanavia pitkin kohti katodia (matalampi jännite). Tämän prosessin aikana kupari ja kuparisuolat aiheuttavat vuotoa.
Kuvassa laminaatti näyttää tummalta, kun kaksi vierekkäistä läpivientiä on hiottu pituussuunnassa ja niitä on tarkasteltu elektronimikroskoopilla 100 ×:n tarkkuudella. Kirkkaat kultaiset alueet ovat kuparia. Kahden läpiviennin välissä näkyy kuparilaikkuja ja kupariharsoja.
3. Miten CAF muodostuu (mekanismi)
Normaali fr4 PCB-laminaatti valmistetaan kutomalla lasikuituja kankaaseen, kostuttamalla ne epoksihartsilla ja puolikovettamalla. Jos hartsin ja lasikuidun välinen tartunta on heikko tai jos hartsi ei kostuta lasia kokonaan, niiden väliin voi syntyä aukkoja. Mekaanisen käsittelyn, kuten porauksen, aikana tangentiaalinen veto ja aksiaalinen isku voivat edelleen vahingoittaa hartsin kiinnittymistä. Tämä voi irrottaa tai erottaa kuitukimput toisistaan ja luoda aukkoja.
Kun ympäristö on kuuma ja kostea, epoksin ja lasikuidun välinen tartunta heikkenee enemmän. Lasikuidun pinnalla olevat silaanikytkentäaineet voivat hydrolysoitua. Tämä luo lasikuituvahvisteen varrelle reittejä, jotka mahdollistavat elektronien siirtymisen.
Näissä olosuhteissa, jos kahdessa lähekkäisessä läpiviennissä on potentiaaliero, korkeamman jännitteen anodissa oleva kupari voi hapettua kupari-ioneiksi. Sähkökentän vaikutuksesta kupari-ionit liikkuvat kohti matalamman jännitteen katodia. Siirron aikana ne yhdistyvät laminaatin epäpuhtausionien tai OH-:n kanssa muodostaen liukenemattomia johtavia suoloja, jotka laskeutuvat. Tämän seurauksena kahden eristävän läpiviennin välinen sähköinen etäisyys pienenee jyrkästi. Vaikeissa tapauksissa ne voivat jopa muodostaa suoran johtavan polun ja oikosulun.
Reaktiot anodilla ja katodilla (havaittuina):
Anodi:
Cu → Cu²⁺ + 2 e-
H₂O → H⁺ + OH-
Katodi:
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. Huomioita kokemuksistamme
Ennen kuin tiesimme, että syy oli CAF, meitä hämmensi kahden eristetyn läpiviennin välinen vastus. Kirjallisuutta tutkittuamme löysimme, että monet kollegamme ovat kärsineet samasta ongelmasta. CAF:stä on tullut merkittävä luotettavuusongelma piirilevyteollisuudessa.
5. Miten CAF:ia voidaan ehkäistä tai vähentää
Parantaa laminaatin kestävyyttä CAF:ia vastaan. PCB-substraattiprosessissa lisää materiaalin ionipuhtautta. Käytä vähän kosteutta imeviä hartseja. Varmista, että lasikangas on täysin hartsin kostuttama ja sitoutuu hyvin.
Ole varovainen poraus- tai laserprosessien kanssa. Poraus tai laser voi tuottaa paikallisesti paljon lämpöä. Jos lämpötila ylittää levyn Tg-arvon, hartsi voi sulaa ja muodostaa jäämiä. Reikien seinämiin jääneet jäämät voivat aiheuttaa huonon kontaktin pinnoituksen aikana. Poista siksi jäämät ennen pinnoitusta. Huomautus: liotus jäännöksen poiston aikana voi heikentää läpireikiä ja aiheuttaa kuparikontaminaatiota, mikä voi helpottaa kuparin siirtymistä myöhemmin.
Suurenna via-to-via-väliä PCB-suunnittelu. Myös CAF-kanavat noudattavat yleensä samaa lasikuitukimppua. Vierekkäisten läpivientien porrastaminen tai siirtäminen toisistaan poispäin auttaa vähentämään CAF-riskiä.
Puhdista PCBA-pinnat. Käytä esimerkiksi korkeapaineilmapistoolia pölyn poistamiseen ja vältä epäpuhtausjäämiä, jotka voivat aiheuttaa ei-toivottua sähkökemiaa. Levitä PCBA:n pinnalle conformal-pinnoite kosteuden pääsyn estämiseksi erityisesti kuumissa ja kosteissa ympäristöissä.
