Naprawa ścieżek PCB - przyczyny i sposoby zapobiegania korozji

Gdy nasz telefon komórkowy wpadnie do wody, większość z nas szybko suszy zewnętrze telefonu, wyciąga baterię i wrzuca telefon do woreczka z ryżem. Mit głosi, że ryż „wyciąga” wodę z wnętrza telefonu, co pozwala ocalić elektroniczne podzespoły telefonu, pieniądze oraz własne zdrowie psychiczne.

Ludzie nie zdają sobie sprawy z tego, że samo wysuszenie telefonu nie stanowi rozwiązania. Przedostanie się wody może spowodować w urządzeniu zwarcie prowadzące do natychmiastowego, nieodwracalnego uszkodzenie telefonu. A nawet jeśli nie dojdzie do uszkodzenia, z biegiem czasu wytworzy się korozja. Urządzenia elektroniczne zaczynają korodować natychmiast po zmoczeniu, a w miarę ich eksploatacji proces korozji postępuje. To zazwyczaj prowadzi do awarii urządzenia.

Każdy, kto w szkole ponadpodstawowej miał zajęcia z chemii, prawdopodobnie pamięta, że różne materiały i powłoki korodują z różną prędkością po wystawieniu na działanie warunków atmosferycznych. Wilgoć w powietrzu lub bezpośredni kontakt z wodą albo roztworem elektrolitu, takim jak Gatorade, może rozpocząć proces korodowania ścieżek elektrycznych na płytkach PCB. Istnieje kilka mechanizmów korozji, które pogarszają działanie urządzeń lub powodują ich całkowite awarie.

Usterka związana z korozją elektrochemiczną

Są dwa główne mechanizmy korozji elektrochemicznej: galwaniczna i elektrolityczna. Korozja galwaniczna zachodzi, gdy dwa różne metale są połączone elektrycznie w obecności cieczy jonowej lub roztworu elektrolitu. Między metalami występuje naturalna różnica napięć (tzw. potencjał elektrody). Wskutek tego prąd płynie w kierunku metalu o większej rezystancji i ten metal koroduje szybciej.

Ten typ korozji zazwyczaj występuje na połączeniach elektrycznych między podzespołami i ścieżkami. Proces korozji rozpoczyna się, gdy dojdzie do kontaktu wilgoci lub jakiegoś płynu z połączeniem elektrycznym. Płytki PCB w środowiskach przemysłowych, środowiskach wilgotnych lub innych trudnych środowiskach są bardzo podatne na ten rodzaj korozji.

Korozja elektrolityczna zachodzi, gdy sąsiadujące ścieżki zostaną zanieczyszczone cieczą jonową lub roztworem elektrolitu. Między ścieżkami zaczynają się tworzyć odnogi. Jeśli substancją zanieczyszczającą jest woda, na odsłoniętym metalu zaczynają się tworzyć jego tlenki i wodorotlenki.

Jeśli dwie sąsiednie ścieżki biegną blisko siebie, istnieje prawdopodobieństwo, że odnogi połączą te dwie ścieżki, powodując zwarcie. Takie zwarcie może spowodować upośledzenie określonego bloku funkcjonalnego na płytce. Jeśli korozja wystąpi w pobliżu linii zasilania i masy, może dojść do uniemożliwienia działania całego urządzenia.

Zostawiąjąc kwestie sąsiadujących ścieżek na boku, miedź przylegająca do płaszczyzny masy na powierzchni może skorodować, jeśli będzie narażona na zanieczyszczenie jonowe lub środowiskowe. W obecności halogenów miedź przekształca się w związki halogenków miedzi, ponieważ gazy halogenowe wchodzą w reakcję z powierzchnią odsłoniętej miedzi, powodując powstawanie z upływem czasu drobnych wgłębień. Jeśli płytka jest przeznaczona do działania w środowisku, w którym może być wystawiona na działanie halogenów, po lutowaniu należy oczyścić i zabezpieczyć odsłoniętą miedź, aby zapobiec korozji.

Korozja wskutek pozostałości topnika

Resztki topnika pozostawione po lutowaniu są główną przyczyną korozji od chwili ich pierwszego zastosowania. Topnik lutowniczy odgrywa bardzo ważną rolę podczas lutowania, ponieważ zwalcza utlenianie. Topnik faktycznie redukuje tlenki metalu, które powstają na lutowanym połączeniu elektrycznym wskutek wysokiej temperatury. Topnik poprawia również nawilżenie kropli lutu przy lutowaniu do pada.

Starsze topniki zawierają żrące środki chemiczne, takie jak chlor, więc po lutowaniu trzeba było usuwać ich pozostałości. W nowszych topnikach stosuje się kwasy organiczne, które ulegają rozkładowi w wysokich temperaturach. Ten problem zwykle nie występuje przy lutowaniu podzespołów metodą lutowania rozpływowego i jakiekolwiek pozostałości nie powinny stanowić powodować kłopotów. Jednak przy lutowaniu falowym topnik raczej nie osiąga temperatury niezbędnej do rozłożenia kwasów. Wszelkie pozostałości topnika mają właściwości kwasowe i są bardzo korozyjne.

Zapobieganie korozji na płytce PCB

Miedź i inne podstawowe metale dość łatwo korodują, podczas gdy metale szlachetne i niektóre stopy wykazują dużą odporność na korozję. Niektórzy producenci pokrywają ścieżki płytki PCB złotem lub stopem złota i niklu. Oczywiście koszt zastosowania cennych metali, takich jak złoto, podnosi koszty płytki PCB, a wiele reguł projektowych, które dotyczą ścieżek miedzianych, nie ma w takim przypadku zastosowania. Złoto jest ciągle przydatne, ponieważ jest dobrym przewodnikiem i znalazło zastosowanie w wielu urządzeniach niskoprądowych.

Korozji można zapobiegać w prosty sposób, np. pokrywając odsłonięte obszary miedzi powłoką ochronną. Bardzo skuteczną obronę przed utlenianiem i korozją zapewniają powłoki epoksydowe, powłoki w aerozolu oraz maski lutownicze. Zastosowana powłoka powinna być w stanie wytrzymać obciążenia termiczne na płytkach pracujących w wysokich temperaturach. Trzeba nabrać doświadczenia, aby zidentyfikować obszary wymagające zabezpieczenia powłoką. Czasami nie wiadomo, które podzespoły na płytce mogą korodować, dopóki faktycznie nie pojawi się korozja.

Nieważne jaki sposób walki z korozją na płytce PCB wybierzemy, wbudowane narzędzia CAD/CAM systemu Altium Designer 19 umożliwiają uzyskanie niezbędnej skuteczności. Pobierz bezpłatną wersję próbną i sprawdź, czy Altium Designer zapewnia to, czego potrzebujesz. Dowiedz się więcej i porozmawiaj z ekspertem Altium