التيار الخفي: لماذا "التدفق بدون تنظيف" يقتل عمر بطاريتك

رياضيات خيبة الأمل

وعد جدول البيانات بعشر سنوات. وعد عرض التسويق بعشر سنوات. وحدات اختبار التحقق الهندسي، الجالسة في مختبر مكيف الهواء، لا تزال تعمل بشكل مثالي. ومع ذلك، في الميدان — ربما في خزانة مرافق رطبة في فلوريدا أو شبكة حساسات زراعية في منتصف الأطلسي — تموت الوحدات خلال ستة أشهر. البطاريات فارغة.

عندما يحدث هذا، يكون الغريزة لوم مصدر الطاقة. تسحب السجلات، تتحقق من أوامر الشراء، وتقنع نفسك أن الموزع أرسل لك دفعة سيئة من CR2032. تفترض أن معدل التفريغ الذاتي كان كاذبًا، أو أن منحنى تخفيض درجة الحرارة كان متفائلًا.

نادراً ما تكون البطارية هي السبب. خلايا الليثيوم الأولية الحديثة من الموردين من الدرجة الأولى هي محركات كيميائية متسقة بشكل ملحوظ. إذا كانت فارغة، فهي لم تسرب الطاقة إلى الأثير؛ بل سلمتها إلى حمل. المشكلة هي أن الحمل ليس المتحكم الدقيق أو الراديو الخاص بك. إنه لوحة الدائرة نفسها.

كذبة التدفق "بدون تنظيف"

السبب عادة هو سوء فهم لمصطلح "بدون تنظيف". في عالم الإلكترونيات الرقمية عالية السرعة — فكر في Raspberry Pis أو لوحات أم الحواسيب المحمولة — التدفق "بدون تنظيف" هو مادة قياسية وآمنة. يترك بقايا كيميائية حميدة بما يكفي لعدم التسبب في قصر في سكة طاقة 3.3 فولت تحمل أمبيرات من التيار. مقاومة تلك البقايا قد تكون في الميجا أوم، والتي بالنسبة لمزود طاقة وحدة المعالجة المركزية، تعادل دائرة مفتوحة.

لكن أنت لا تبني حاسوبًا محمولًا. أنت تبني جهازًا منخفض الطاقة للغاية (ULP) حيث يُقاس ميزانية النوم بالنانو أمبيرات. في هذا المجال، "بدون تنظيف" هو اختراع تسويقي. بقايا التدفق التي يتركها عملية إعادة التدفق تتكون من منشطات أيونية — أحماض مصممة لأكل الأكاسيد على وسادات النحاس لضمان وصلة لحام جيدة. عندما تخرج اللوحة من الفرن، تتصلب تلك البقايا فعليًا. لكنها ليست خاملة. إنها تمتص الرطوبة. إنها محبة للرطوبة.

مع ارتفاع الرطوبة، تتحول تلك القشرة الحميدة إلى إلكتروليت موصل. نحن لا نتحدث عن قصر كهربائي مميت. نحن نتحدث عن قصر "ناعم": مقاومة طفيلية تتراوح بين 10 إلى 50 ميجا أوم. في جهاز يعمل بالكهرباء الرئيسية، هذا ضوضاء. في جهاز يحاول النوم عند 500 نانو أمبير، مقاومة موازية بقيمة 20 ميجا أوم عبر أطراف البطارية أو مفتاح الطاقة كارثة. تسحب 150 نانو أمبير إضافية باستمرار، 24 ساعة في اليوم، بغض النظر عن حالة البرنامج الثابت. هذا التسرب الخفي هو ما يسرق منك تسع سنوات ونصف من عمر البطارية.

هناك ميل خطير لمحاولة إصلاح هذا بطبقة عازلة. يبدو المنطق سليمًا: إذا كانت الرطوبة هي المحفز، أغلق اللوحة. لكن رش اليوريثان أو الأكريليك على لوحة لم تُغسل بقوة ليس حلاً — إنه قبر. أنت ببساطة تحاصر الملوثات الأيونية والرطوبة المحيطة تحت الطلاء. ستستمر التآكل، الآن محميًا من محاولاتك لتنظيفه، وستنمو التفرعات البلورية بسعادة في دفيئتها الخاصة.

الجسر الخفي: الرطوبة والتفرعات البلورية

آلية الفشل نادراً ما تكون ثابتة. إنها تتنفس مع البيئة. لهذا السبب لا يمكنك إعادة إنتاجها على مكتبك في مكتب مكيف الهواء. موصلية بقايا التدفق غير خطية وفوضوية؛ ترتفع فجأة عندما تتجاوز الرطوبة النسبية عتبة، غالبًا حول 60-70%.

اعتبر حالة عامة لنشر العدادات الذكية. الوحدات المثبتة في غرف الخوادم ذات التحكم المناخي تدوم إلى الأبد. الوحدات المماثلة المثبتة في الحاويات الخارجية تفشل في مجموعات خلال موسم الأمطار. تحت المجهر، يمكنك أحيانًا رؤية الدليل المادي: نمو تفرعي. هذه بلورات معدنية تشبه السرخس تنمو من الكاثود نحو الأنود، تغذيها أيونات المعدن المذابة في بقايا الفلكس. لا تحتاج إلى جسر الفجوة بالكامل لتدميرك. فقط تحتاج إلى تقليل مقاومة العزل بما يكفي لنزف البطارية.

هذا الهجرة مدفوعة بالحقل الكهربائي. كلما كان تخطيطك أكثر إحكامًا—مكونات 0402، تباعد 0.5 مم في BGAs—كلما زادت قوة الحقل بين الدبابيس، وزادت سرعة الهجرة. لا تحتاج البقايا إلى أن تكون مرئية بالعين المجردة لتكون قاتلة. طبقة واحدة من التلوث الأيوني تكفي لجسر لوحين على متحكم دقيق، مما يوقظه من النوم العميق أو ببساطة ينزف التيار من VCC إلى الأرضي.

جهاز القياس المتعدد الخاص بك يكذب عليك

جزء من سبب استمرار هذا الوضع الفاشل هو أن أدوات الهندسة القياسية عمياء تجاهه. لا يمكنك تشخيص تسرب 50nA باستخدام Fluke 87V. أجهزة القياس المتعددة المحمولة القياسية لديها جهد عبء—انخفاض جهد داخلي—يعطل الدائرة التي تحاول قياسها. والأسوأ من ذلك، أنها تحسب التيار كمتوسط. لا يمكنها رؤية الطبيعة الديناميكية للتسرب الذي قد يكون نابضًا أو متحركًا.

إذا كنت تقوم بتحليل عمر بطارية منخفضة الطاقة للغاية، يجب عليك استخدام وحدة قياس مصدر (SMU) مثل Keithley 2450، أو على الأقل أداة متخصصة مثل Joulescope. تحتاج إلى رؤية الحد الأدنى. تحتاج إلى التحقق من أنه عندما يقول البرنامج الثابت "نوم"، يكون التيار فعليًا ثابتًا. غالبًا، مع أداة مناسبة، سترى "التسرب"—التيار يرتفع ببطء على مدى دقائق مع تدفئة اللوحة أو تفاعل البقايا مع البيئة. إذا اعتمدت على قراءة مقياس متعدد قياسي بـ "0.00 uA"، فأنت تعمل في الظلام.

تفويض التصنيع

لن تجد الحل في البرنامج الثابت أو بطارية أكبر. ستجده في مصنع التجميع. يجب التعامل مع النظافة كمواصفة تصميم، وليس كتفصيل تصنيع.

إذا كنت تبني لعمر 10 سنوات على خلية عملة، لا يمكنك استخدام عملية "عدم التنظيف" القياسية. يجب أن تفرض الغسيل. وليس مجرد غمس في دلو من IPA—فهذا فقط ينشر الشحم. تحتاج إلى غسيل مائي متسلسل مع مواد صابونية، يليه شطف بماء DI، ثم خبز لإزالة الرطوبة.

سيكون هذا صراعًا. يكره المصنعون المتعاقدون (CMs) خطوط الغسيل. فهي مكلفة، تتطلب صيانة، وتبطئ الخط. سيعرضون عليك أوراق بيانات من بائع الفلكس تدعي أنه يمر بمعيار IPC-J-STD-001. يجب أن تتجاهل هذا. تلك المعايير للإلكترونيات العامة، وليس للأجهزة التي تعيش على حافة الفيزياء.

يجب أن تطالب باختبار الكروماتوغرافيا الأيونية. تحتاج إلى دليل على أن اللوحة نظيفة كيميائيًا، وليس فقط نظيفة بصريًا. إذا رفض CM، أو حاول بيعك فلكس "عدم تنظيف" أفضل، ابتعد. تكلفة عملية الغسيل المناسبة هي بنسات لكل لوحة. تكلفة إرسال فريق لإصلاح وحدة ميتة في الميدان هي مئات الدولارات. قم بالحساب، ثم أصر على الغسيل.