1. Tổng quan về sự cố rò rỉ PCB gần đây
Gần đây, chúng tôi đã gặp phải vấn đề rò rỉ trên bảng mạch in (PCB). Sản phẩm này thuộc loại tiêu thụ điện năng thấp. Thông thường, toàn bộ thiết bị chỉ tiêu thụ dòng điện ở mức microamp (µA). Sau một thời gian thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ bình thường, chúng tôi phát hiện mức tiêu thụ điện năng của thiết bị đã tăng lên. Một số mẫu thậm chí còn đạt mức milliamp (mA).
Chúng tôi đã cẩn thận loại trừ các lỗi liên quan đến linh kiện. Cuối cùng, chúng tôi phát hiện ra một điểm nối 5 V. Khi sản phẩm ở chế độ ngủ, điểm nối này lẽ ra phải là 0 V, nhưng lại có điện áp giảm khoảng 1,8 V.
Chúng tôi đã cẩn thận cắt các đường mạch trên bảng mạch in (PCB). Điều khiến chúng tôi ngạc nhiên là hai lỗ vias vốn không có kết nối điện trên bảng mạch lại có thể đo được và cho thấy điện trở giữa chúng lên tới vài trăm ohm. Chúng tôi đã kiểm tra các tệp thiết kế. Đây là một bảng mạch hai lớp. Khoảng cách giữa các lỗ vias và khoảng cách giữa các pad đều lớn hơn 6 mil. Khoảng cách giữa thành lỗ và thành bảng mạch lớn hơn 18 mil. Thiết kế này là tiêu chuẩn đối với quy trình khoan thông thường trong ngành sản xuất PCB.
Chúng tôi đã loại bỏ lớp phủ chống hàn để loại trừ khả năng có tạp chất dẫn điện trên bề mặt lớp phủ hoặc bề mặt lỗ thông. Điện trở đo được giữa các lỗ thông vẫn còn tồn tại. Trong một thời gian, chúng tôi không thể giải thích được hiện tượng này. Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng hiện tượng rò rỉ này là do “hiệu ứng CAF” gây ra.”
2. CAF là gì?
CAF là viết tắt của Conductive Anodic Filamentation (hiện tượng hình thành sợi dẫn điện ở cực dương). Đây là hiện tượng rò rỉ điện bên trong bảng mạch in (PCB), trong đó các ion đồng di chuyển từ cực dương (điện áp cao hơn) dọc theo các khe nứt vi mô giữa các sợi thủy tinh về phía cực âm (điện áp thấp hơn). Trong quá trình này, đồng và các muối đồng gây ra hiện tượng rò rỉ điện.
Trong hình ảnh, sau khi mài hai lỗ vias liền kề theo chiều dọc và quan sát chúng dưới kính hiển vi điện tử với độ phóng đại 100×, tấm laminate có màu tối. Các vùng màu vàng sáng là đồng. Bạn có thể thấy các đốm đồng và các sợi đồng nằm giữa hai lỗ vias.
3. Cách thức hình thành của CAF (cơ chế)
Bình thường Tấm laminate PCB loại FR4 được sản xuất bằng cách dệt sợi thủy tinh thành vải, sau đó tẩm nhựa epoxy và tiến hành quá trình đóng rắn bán phần. Nếu độ bám dính giữa nhựa và sợi thủy tinh kém, hoặc nhựa không thấm đều vào sợi thủy tinh, các khe hở có thể xuất hiện giữa chúng. Trong quá trình gia công cơ khí như khoan, lực kéo tiếp tuyến và va đập theo trục có thể làm hỏng thêm liên kết nhựa. Điều này có thể làm lỏng hoặc tách các bó sợi và tạo ra các khe hở.
Khi môi trường nóng ẩm, độ bám dính giữa epoxy và sợi thủy tinh sẽ suy giảm nhanh hơn. Các chất liên kết silan trên bề mặt sợi thủy tinh có thể bị thủy phân. Điều này tạo ra các đường dẫn dọc theo lớp gia cố sợi thủy tinh, cho phép sự di chuyển của các electron.
Trong điều kiện này, nếu hai lỗ vias gần nhau có sự chênh lệch điện thế, đồng tại cực dương có điện áp cao hơn có thể bị oxy hóa thành các ion đồng. Dưới tác động của điện trường, các ion đồng di chuyển về phía cực âm có điện áp thấp hơn. Trong quá trình di chuyển, chúng kết hợp với các ion tạp chất trong tấm laminate hoặc với ion OH– để tạo thành các muối dẫn điện không tan, sau đó lắng đọng lại. Kết quả là, khoảng cách điện giữa hai lỗ vias cách điện giảm mạnh. Trong những trường hợp nghiêm trọng, chúng thậm chí có thể tạo thành một đường dẫn điện trực tiếp và gây đoản mạch.
Các phản ứng tại cực dương và cực âm (theo quan sát):
Cực dương:
Cu → Cu²⁺ + 2 e⁻
H₂O → H⁺ + OH⁻
Cực âm:
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. Những kinh nghiệm rút ra từ thực tiễn
Trước khi xác định được nguyên nhân là do hiện tượng CAF, chúng tôi đã rất bối rối trước hiện tượng điện trở giữa hai lỗ dẫn điện cách điện. Sau khi tra cứu các tài liệu chuyên môn, chúng tôi phát hiện ra rằng nhiều đồng nghiệp cũng đã gặp phải vấn đề tương tự. Hiện tượng CAF đã trở thành một vấn đề đáng chú ý về độ tin cậy trong ngành sản xuất bảng mạch in (PCB).
5. Cách phòng ngừa hoặc giảm thiểu CAF
Nâng cao khả năng chống lại CAF của lớp phủ. Đối với quy trình sản xuất chất nền PCB, cần tăng độ tinh khiết ion của vật liệu. Sử dụng các loại nhựa có độ hấp thụ độ ẩm thấp. Đảm bảo vải thủy tinh được nhựa thấm ướt hoàn toàn và kết dính tốt.
Hãy cẩn thận khi thực hiện các quy trình khoan hoặc tạo lỗ bằng laser. Quá trình khoan hoặc sử dụng laser có thể tạo ra nhiệt độ cục bộ cao. Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ chuyển pha (Tg) của bảng mạch, nhựa có thể chảy ra và tạo thành cặn bám. Cặn bám trên thành lỗ có thể gây ra hiện tượng tiếp xúc kém trong quá trình mạ. Do đó, cần loại bỏ cặn bám trước khi mạ. Lưu ý: Việc ngâm trong quá trình loại bỏ cặn bám có thể làm mòn các lỗ xuyên và có thể gây ô nhiễm đồng, điều này có thể khiến hiện tượng di chuyển đồng xảy ra dễ dàng hơn sau này.
Tăng khoảng cách giữa các lỗ thông trong Thiết kế mạch in (PCB). Ngoài ra, các đường dẫn CAF thường đi theo cùng một bó sợi thủy tinh. Việc bố trí các lỗ vias liền kề theo kiểu xen kẽ hoặc lệch nhau sẽ giúp giảm thiểu rủi ro CAF.
Làm sạch bề mặt PCBA. Ví dụ, sử dụng súng thổi khí áp suất cao để loại bỏ bụi và tránh các tạp chất còn sót lại có thể gây ra các phản ứng điện hóa không mong muốn. Phủ một lớp sơn bảo vệ lên bề mặt PCBA để ngăn chặn hơi ẩm xâm nhập, đặc biệt là trong môi trường nóng ẩm.
