البطارية الخفية: لماذا تتطلب الإلكترونيات ذات الجهد العالي تنظيفًا كيميائيًا

يمكنك النظر إلى لوحة الدائرة المطبوعة تحت مجهر 10x ورؤية لا شيء خاطئ على الإطلاق. الوصلات الملحومة لامعة، والفيليتس مثالية، والماسك لامع. وفقًا لـ IPC-A-610، هذه اللوحة مثالية. تمر بالفحص البصري والاختبار الوظيفي على الخط. تُوضع في صندوق، تُشحن إلى بيئة رطبة — لنقل، مزرعة شمسية في فلوريدا أو محطة شحن للسيارات الكهربائية في مرآب مبلل — وثلاثة أشهر لاحقًا، تنفجر.

المشكلة لم تكن السيليكون. لم تكن دفعة سيئة من المكثفات. المشكلة كانت أن اللوحة كانت نظيفة بصريًا لكن غير نظيفة كيميائيًا.

عندما تتعامل مع إلكترونيات عالية الجهد (400 فولت، 800 فولت، أو أكثر)، النظافة ليست لها علاقة بالجمال. إنها تمرين صارم في الكهROكيمياء. تظل البقايا غير المرئية التي يتركها التدفق نشطة في الدائرة، محولة عزلتك إلى موصل.

إذا كنت قد تعاملت من قبل مع "عطل خيالي" — وحدات تفشل في الميدان مع تسميات "لم يتم العثور على مشكلة" (NTF)، أو أجهزة تتعطل فقط عندما تمطر — فمن المحتمل أنك تطارد شبح أيوني. السبب غالبًا هو طبقة مجهرية من ملح موصل ينمو بين موارد الفولتية الخاصة بك، وهي عملية لا تهتم بمعايير الفحص البصري الخاصة بك.

فيزياء القنبلة الزمنية

عليك أن تتوقف عن التفكير كمهندس كهربائي وأن تبدأ في التفكير ككيميائي. لوحة الدائرة المطبوعة التي تعمل في الميدان ليست مجرد مجموعة من مسارات النحاس؛ إذا وُجدت بقايا، فإن اللوحة تصبح بطارية.

الآلية هي الهجرة الكهروكيميائية. تحتاج إلى ثلاثة عناصر للعمل: جهد كهربائي (فولتية), رطوبة (رطوبة), وأيونات (بقايا التدفق). عندما تطبق جهد عالي عبر مسارين، تخلق أنود وكاثود. إذا كان بقايا التدفق بينهما — وتحديدًا المنشطات القابلة للامتصاص للرطوبة الموجودة في التدفقات الحديثة — فإن تلك البقايا تسحب الماء من الهواء، مكونة محلولًا إلكتروليتًا مجهرًا.

في هذا "الحساء"، تذوب أيونات المعادن من اللحام (القصدير، الرصاص، أو الفضة) عند الأنود وتنتقل نحو الكاثود. مع مرور الوقت، ترسب تلك الأيونات، مشكلة بنية معدنية تعرف باسم الدايندريت. يبدو كأنه بنية شجر أو فرع شجرة ينمو عبر الفجوة.

هذه ليست عملية سريعة. يمكن أن تستغرق أسابيع أو شهور. ولكن بمجرد أن يربط هذا الدايندريت الفجوة، يكون لديك دائرة قصيرة. عند 5 فولت، قد يتسبب ذلك في خلل منطقي فقط. عند 400 فولت، يفرّ الاندفاع الحالي الدايندريت، غالبًا مع مكون وقطعة من ألياف الزجاج في اللوحة. الأدلة تدمر نفسها، تاركة لك لوحة محترقة وبدون سبب جذري واضح.

كذب "لا-تنظيف" عند 400 فولت

يحب الصناعة أسطورة أن "لا-تنظيف" الفلوكس يعني أنه لا حاجة لتنظيفه. بالنسبة للإلكترونيات الاستهلاكية — جهاز التحكم عن بُعد الخاص بك، لعبة رقمية، مكبر صوت بلوتوث — هذا صحيح إلى حد كبير. الجهود منخفضة، والبقايا غير موصلة بما يكفي لتكون آمنة. ولكن عندما تتجاوز إلى المجال الصناعي وقطاع السيارات عالي الفولتية، يصبح "لا-تنظيف" مسمى خاطئًا وخطيرًا.

عند فولتية عالية، تكون قوة المجال الكهربائي كافية لتحريك الأيونات التي ستكون خاملة عند 12 فولت. علاوة على ذلك، غالبًا ما تكون بقايا "لا-تنظيف" مستندة إلى الراتنج، ومصممة لت encapsulate الأحماض النشطة. ولكن دورات الحرارة — مثل تلك الموجودة في إن inverter السيارة الكهربائية — يمكن أن تكسر قشرة الراتنج هذه. بمجرد أن تتكسر القشرة، يتعرض الحمض الممتص للرطوبة، ويبدأ الهجرة.

هذا أيضًا سبب قد تلاحظ تقشر أو تكون فقاعات على الطلاء المطابق. غالبًا ما يلوم المهندسون بائع الطلاء على فشل الالتصاق. في الواقع، الطلاء شبه نفاذ للماء. تمر الرطوبة من خلاله، وتجد بقايا الفلوكس المختبئة تحته، ويؤدي الغازات المنبعثة إلى رفع الطلاء عن اللوحة. لا يمكنك إحكام إغلاق الأوساخ وتوقع الاعتمادية. أنت فقط تخلق غرفة فشل مضغوطة.

الكيمياء، ليست فقط الغسيل

لذا، قررت التنظيف. هنا تفشل معظم خطوط العمليات. يعالجون التنظيف كما لو أنه غسيل الصحون — يرش الماء الساخن ويأمل في الأفضل. لكن الفلوكس الحديث ليس نفايات طعام. هو كيمياء معقدة مصممة لمقاومة الماء.

الفتائل المجاورة والفتائل المبنية على الراتنج مقاومة للماء. رشها بماء مُعقم (DI) بدون أي فائدة؛ يتجمع الماء بالتنقيط ويتدحرج، تاركًا الراتنج خلفه. لتنظيف لوحة بشكل فعال، تحتاج إلى تفاعل كيميائي يسمى الصابونبة.

نستخدم مواد قلوية صابونية — مواد كيميائية متخصصة تتفاعل مع الأحماض الدهنية في حاملة الفلوكس. يتحول هذا التفاعل الراتنج غير القابل للذوبان إلى صابون قابل للذوبان في الماء. عندها فقط يمكن غسله. يتطلب هذا العملية نافذة غسيل دقيقة. تحتاج إلى التركيز الصحيح من المادة الصابونية، مطابقة لنوع الفلوكس المستخدم، وتشغيلها في درجة حرارة مناسبة لدفع التفاعل.

إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، يكون التفاعل بطيئًا جدًا. إذا كانت سرعة الحزام عالية جدًا، لا يكون للكيمياء وقت للتفاعل. إذا استخدمت منظفًا عامًا بدون التحقق من توافقه مع معجون اللحام الخاص بك، فقد تزيل المزيلات على اتصالات اللحام وتترك المنشطات الخطرة خلفك. إنه عملية كيميائية، وليست فرك ميكانيكيًا.

مشكلة الهندسة

حتى مع الكيمياء الصحيحة، لا يمكنك تنظيف ما لا يمكنك الوصول إليه. الاتجاه في الإلكترونيات الحديثة هو للتصغير، مما يخلق كابوسًا على ديناميات السوائل.

خذ مكون QFN كبير (مربع مسطح بدون أرجل) أو وحدة IGBT ثقيلة ملحومة على لوح نحاسي كبير. قد يكون ارتفاع الارتفاع - الفجوة بين جسم المكون ولوحة الدوائر - أقل من 50 ميكرون. هناك خطوط جهد عالية تمر تحت ذلك المكون مباشرة.

إن جعل سائل التنظيف يخترق تلك الفجوة التي تبلغ 50 ميكرون ضد قوة التوتر السطحي أمر في غاية الصعوبة. يتطلب ضغطًا عاليًا و ضربات رش وفق زوايا محددة. إذا لم يُجبر العملية على إدخال المادة الصابونية تحت ذلك الحزمة، فإنك تخلق "م incubator الدندريتة". ستختبر المناطق المكشوفة على اللوحة أنها نظيفة، لكن المنطقة تحت MOSFET الطاقة — المكان الذي يكون فيه الجهد أعلى والحرارة أكبر — تظل مليئة بالبقايا النشطة. غالبًا ما نضطر لإجبار المصممين على إضافة وصلات أو تغيير أقداح المكونات فقط لجعل المنطقة قابلة للغسل.

التحقق: إثبات الشيء غير المرئي

إذا كانت الفحوص البصرية عديمة الفائدة، فما المقياس؟ كيف تعرف إذا نجحت بالفعل؟

على مدى عقود، استخدمت الصناعة اختبار ROSE (مقاومية المستخلص المذيبي). تغمر اللوحة في محلول كحولي وتقيس مدى تغير مقاوميتها. كان ذلك مناسبًا لتقنية الثقب في التسعينيات. بالنسبة للتصاميم الحديثة ذات الكثافة العالية والارتفاع المنخفض، فإن اختبار ROSE أصبح بلا فائدة بشكل فعال. يعطيك متوسط ​​نظافة على لوحة كاملة، لكنه يفشل في الكشف عن جيوب الشر المركزة التي تختبئ تحت QFN.

الطريقة الوحيدة للتحقق حقًا من عملية التنظيف عالية الجهد هي عبر مقاومة العزل السطحي (SIR) الاختبار. يتضمن ذلك تصميم قطعة اختبار خاصة بنقوش مشطية تحاكي أدق تباعد لديك. تقوم بتمرير هذه القطعة عبر عملية الغسل الخاصة بك، ثم تضعها في حجرة بدرجة حرارة 85°C ورطوبة نسبية 85% مع تطبيق جهد انحياز. تراقب المقاومة لمدة 168 ساعة أو أكثر.

إذا انخفضت المقاومة، فهناك نمو. إذا بقيت عالية (عادة فوق 100 ميغوهوم)، فإن عمليتك تعمل. هذه هي المعايير التي وضعتها J-STD-001H. إنها صارمة، بطيئة، وهي الطريقة الوحيدة للنوم ليلاً وأنت واثق من أن شاحن 800V الخاص بك لن يشتعل في عامين من الآن.

تكلفة النظافة

تنفيذ عملية تصبن داخلية مناسبة مع التحقق المنتظم من خلال اختبار SIR ليس رخيصًا. يتطلب مساحة أرضية، إدارة كيميائية، ومعالجة نفايات. لكن فكر في البديل.

في أنظمة الجهد العالي، الاعتمادية ثنائية. اللوح إما ثابت كيميائيًا، أو يموت ببطء. لا يوجد وسط. عندما تُبنى أجهزة تتعامل مع جهد قاتل، فإن تكلفة عملية غسيل مناسبة تعتبر فرقًا في الحساب مقارنة بتكلفة استدعاء المنتج أو دعوى قضائية.