Zjawisko generowania dróg przewodzenia w dielektryku

Specyfika lutowania bezołowiowego powoduje, że znane dotychczas zjawiska, nie­wiążące się bezpośrednio z połączeniem lutowanym, mogą wystąpić w większym nasileniu ze względu na stosowanie materiałów o dużej zawartości cyny i wyso­kich temperatur, jakim poddawane są płytki drukowane. Oprócz zjawiska tworzenia się wiskerów cyny jest również obserwowane zjawisko po­wstawania dróg przewodzenia w dielektryku, jakim jest laminat płytki drukowanej (CAF – Conductive Anodic Filaments)

Tendencja w kierunku ograniczenia wymiarów zespołów przy jednoczesnym żą­daniu zwiększenia osiągów doprowadziła do wzrostu liczby podzespołów mon­towanych na płytce drukowanej i zwiększenia gęstości połączeń wewnętrznych. Ten trend wymusił zmniejszenie odległości między elementami przewodzącymi, wprowadzenie bardzo małych średnic otworów wewnętrznych i stosowanie metali­zowanych otworów przelotowych na różnych poziomach płytki wielowarstwowej. Małe odległości między elementami przewodzącymi i jednoczesne stosowanie wysokich temperatur lutowania bezołowiowego spowodowały, że płytka druko­wana stała się znacznie bardziej podatna na zjawisko generowania dróg przewo­dzenia wzdłuż włókien laminatu. W języku angielskim zjawisko to nosi nazwę Conductive Filament Formation (CFF) lub Conductive Anodic Filament (CAF). Zjawisko przewodzenia jest procesem elektrochemicznym, który polega na trans­porcie (zwykle jonowo) metalu przez lub w poprzek niemetalowego środowiska pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. W rezultacie powstają prądy upływu, które zmniejszają osiąg lub drastyczne zwarcia powodujące całkowite uszkodzenie obwodu elektrycznego.

Proces przewodzenia wzdłuż włókien zależy od:

• właściwości płytki drukowanej, takich jak rodzaj żywicy, obecności i rodzaju powłoki zabezpieczającej oraz usytuowania ścieżek i pól przewodzących;

• warunków prądowych, takich jak napięcie, temperatura i wilgotność względna.

Przyczyną formowania się dróg przewodzenia jest międzyfazowa delaminacja występująca w połączeniach pojedynczych włókien szklanych z żywicą epoksy­dową. Degradacja jest często przyspieszana przez źle przeprowadzony proces – wiercenia lub narażenia cyklami cieplnymi. Na poniższym zdjęciu przedstawiono dla przykładu dwie, z wielu możliwych, konfiguracje elementów przewodzących płytki podatne na powstawanie zjawiska generowania przewodzenia wzdłuż włó­kien: przewodzenie wzdłuż włókien laminatu powodujące zwarcie między pola­mi lutowniczymi (a) i przewodzenie między metalizacją ściany otworu i polem lutowaniczym (b).

Na poniższych zdjęciach pokazano ciemny, pusty obszar dielektryka w lewym górnym rogu metalizowanego otworu przelotowego oraz powiększenie tego samego uszkodzenia wykonane na mikroskopie elektronowym. Uszkodzenie rozciąga się od zewnętrznej ściany metalizowanego otworu do ścieżki miedzianej na powierzchni płytki. Wygląd obszaru przy dużym powiększeniu może wskazy­wać na odparowanie żywicy epoksydowej. W obszarze tym wystąpiło uszkodze­nie elektryczne.

Obecnie istnieją opatentowane materiały i sposoby zabezpieczające płytki druko­wane przed występowaniem zjawiska generowania dróg przewodzenia. Wiąże się to jednak z istotnym podwyższeniem kosztów produkcji płytek. Większość produ­centów płytek stosuje materiały odporne na opisywane zjawisko tylko na sprecy­zowane wymaganie klienta. Jedną z obiecujących technik minimalizujących opisywane zjawisko jest nowy sposób nanoszenia związków silanowych, który zwięk­sza gęstość i równomierność powłoki silanowej na powierzchni włókna szklanego. Lepsza równomierność daje w rezultacie mocniejsze połączenie między włóknem szklanym i żywicą epoksydową.