عالية الديناميكا الحرارية للفشل: لماذا يطبخ الحماية لوحاتك

تقضي شهورًا في تحسين سلامة الإشارة. تقاتل من أجل كل ديسبل من مستوى الضوضاء. تتحقق من إدارة الحرارة لمكونات FET باستخدام مبددات حرارة ونماذج تدفق هواء معقدة. ثم، في نهاية السلسلة، تسلم اللوحة إلى الإنتاج ليتم تغليفها. يخلطون إ epoxy من جزأين، يصبونه داخل الهيكل، ويضعونه على رف ليتم تتخميه.

وهذا هو المكان الذي تفقد فيه الوحدة بالضبط.

لم يكن هناك قصر كهربائي أو خلل في البرنامج الثابت. كان فشلًا في احترام عنف التفاعل الكيميائي الذي أطلقت عليه للتو. التغليف لا يقتصر على "التجفيف" أو "التصلب". إنه حدث بلمرة طارد للحرارة. عندما تخلط الجزء أ والجزء ب، تبدأ حريقًا يحترق كيميائيًا بدلًا من أكسديًا. إذا لم تدير هذا الحريق، يمكن أن يتجاوز درجة الحرارة الداخلية لمادة التغليف 180°C بسهولة — مما يطهي المكثفات الكهربائية، ويزيل اللحام عن المقاومات، ويشقق النوى الفريت قبل أن تغادر الوحدة حتى مصنع الإنتاج.

فيزياء الكيمياء الغاضبة

الخطأ الأساسي الذي يرتكبه معظم المهندسين هو الافتراض أن درجة الحرارة داخل كوب التغليف تتطابق مع فرن التجفيف أو الغرفة. هذا خطأ خطير. يتسبب التفاعل بين راتنج الإيبوكسي والمصلب في إصدار طاقة. في طبقة رقيقة، مثل طلاء التوافق، يتبدد هذا الحرارة في الهواء على الفور. يظل التفاعل باردًا. ولكن التغليف هو عملية جماعية. أنت تصب بطانية سميكة معزولة من البلاستيك حول مصدر حرارة هو البلاستيك نفسه.

هذا يخلق حلقة حرارية متسارعة يقودها معادلة أرنيوس: لكل زيادة تقريبًا في درجة الحرارة بمقدار 10°C، يتضاعف معدل التفاعل. مع تفاعل الإيبوكسي، تولد حرارة. لا يمكن أن تخرج هذه الحرارة لأنها عازل حراري طبيعي للراتنج الإيبوكسي. لذا تبقى الحرارة في الجوهر، مما يرفع درجة الحرارة. كلما زادت درجة الحرارة، ت reacting الإيبوكسي المتبقي بشكل أسرع، مما ينتج عنه المزيد من الحرارة، مما يدفع التفاعل بقوة أكبر. إنه محرك يتسارع حتى ينفد وقوده أو يذوب شيئًا.

قد تظن أنك بأمان لأنك تستخدم تركيبة "تجفيف بدرجة حرارة الغرفة". لا تدع المصطلح يخدعك. "درجة حرارة الغرفة" تعني فقط أنك لا تحتاج إلى فرن خارجي لبدء التفاعل؛ هذا لا يعني أن المادة تبقى في درجة حرارة الغرفة. في الواقع، غالبًا ما تكون الإيبوكسيات سريعة التصلب "خمس دقائق" هي الأكثر عنفًا. رأيت فنيًا يخلط دلوًا بحجم 5 جالونات من إيبوكسي التصلب السريع، ويعتزم أن يسحبه فوق ساعة. خلال عشر دقائق، كان الدلو ثورًا دخيًا يدخن، يذوب بطانته البلاستيكية الخاصة ويُلتحم بالأرضية الخرسانية. علم فيزياء التأثير الكتلي لا تفاوض عليه.

لا تخلط بين هذا وخطأ الخلط. نعم، إذا خلطت النسبة بشكل خاطئ، ستحصل على خليط لزج ومرن لا يتصلب أبدًا. ذلك فشل، لكنه فشل "آمن". السيناريو الأكثر خطورة هو عندما تخلطه بشكل صحيح، لكن تستهين بالكتلة. قد تصل كوب من 100 غرام إلى درجة حرارة قصوى تبلغ 60°C. نفس المادة، المملوءة في خزان سعته 2 لتر لمصدر طاقة عالي الجهد، لها نسبة مساحة السطح إلى الحجم أقل بكثير. لا يمكنها التخلص من الحرارة. ترتفع درجة حرارة النواة فجأة، وفجأة لديك وعاء مفاعل على طاولة عملك. تمامًا، لكن تستهين بالكتلة. قد تبلغ درجة الحرارة الذروية لكوب 100 غرام 60°C، وهو ساخن، لكن اللحام ثابت. ومع ذلك، مع انتهاء التفاعل، يتصلب الإيبوكسي إلى مادة صلبة صلبة. الآن يبدأ الكتلة بأكملها في التبريد إلى درجة حرارة الغرفة. الآن تواجه القاتل الثاني: عدم تطابق معامل التمدد الحراري (CTE). ينكمش الإيبوكسي أثناء التبريد. ينكمش لوح الدوائر المطبوعة بسرعات مختلفة. المكثف السيراميكي لا ينكمش كثيرًا على الإطلاق. النتيجة هي قوة القص هائلة تُطبّق مباشرة على روابط اللحام. لقد رأيت مكثفات تتمزق من على وساداتها، أو الأسوأ، تتشقق داخليًا بحيث تمر اختبار الاستمرارية اليوم، ولكنها تفشل في الفتح بعد شهر من الاهتزاز في المجال.

القتلة الصامتون: كيف تموت المكونات

عندما يتجاوز ارتفاع الحرارة الناتج عن التفاعل، نادرًا ما تكون الأضرار مرئية على السطح. قد يبدو سطح التغليف نقيًا، وربما يكون دافئًا قليلاً عند اللمس. ولكن، عميقًا في الداخل، حيث لم تكن هناك ممرات لتصريف الحرارة، أصبح البيئة عدائية.

خذ مجموعة تركيب قياسية على السطح. لديك مكثفات 0402 ملحومة على لوحة FR4. عندما تصل حرارة الإيبوكسي إلى قمتها—لنفترض 160°C—تكون اللوحة ساخنة، لكن اللحام يبقى ثابتًا. ومع انتهاء التفاعل، يتصلب الإيبوكسي إلى حاله صلبة صلبة. الآن تبدأ الكتلة بأكملها في البرودة تدريجياً إلى درجة حرارة الغرفة. الآن تواجه القاتل الثاني: عدم توافق معامل التمدد الحراري (CTE). ينكمش الإيبوكسي عند تبريده. تنكمش لوحة الدارة المطبوعة بسرعة مختلفة. المكثف الخزفي لا يتقلص كثيرًا على الإطلاق. النتيجة هي قوة قص هائلة تطبق مباشرة على وصلات اللحام. لقد رأيت مكثفات تم تمزيقها من أرصفته، أو الأسوأ، تتشقق داخليًا بحيث تجتاز اختبار الاستمرارية اليوم، لكن تفشل بعد شهر من الاهتزاز في الميدان.

المكونات المغناطيسية أكثر عرضة للخطر. أنوية الفريت عبارة عن سيراميك هش يعتمد على هياكل بلورية معينة للحفاظ على الحث. عندما تُحاط محول بقاعدة صلبة غير ممتلئة بالإيبوكسي وتتركها تتعرض للحرارة، فإنك تتعرض لصدمة حرارية تليها مكبس ميكانيكي مروع. إذا وقفتم في حجرة إنتاج هادئة بعد تغليف مجموعة من مزودات الطاقة، يمكنك أحيانًا سماع صوت خافت من رنين داخل أنوية الفريت تتصدع داخل الراتنج المبرد. لن تراه، لكن قيم الحث ستنحرف عن المقياس، وكفاءة مزود الطاقة ستنخفض. ت tink tink صوت تصدع أنوية الفريت داخل راتنج التبريد. لن تراه، لكن قيم الحث الخاصة بك ستنحرف عن المعيار، وقد تنخفض كفاءة مزود الطاقة لديك.

البطاريات هي أعلى رهانات هنا. إذا كنت تقوم بتغليف خلايا 18650 لحزمة نموذجية، فإنك تلعب بالنار — حرفيًا. يمكن للإيبوكسي الهيكلي القياسي أن يصل بسهولة إلى درجات حرارة تذيب لفائف PVC على الخلايا (عادةً مصنفة لدرجات حرارة ~80°C إلى 100°C). بمجرد أن يذوب العازل، تتصل الخلايا ببعضها البعض أو بالعلبة. لقد رأيت عبوات لم تنفجر، لكنها كانت فعليًا ميتة عند الوصول لأنها تضررت من الحدث الحراري أثناء التغليف على الحواجز العازلة.

كذب ورقة البيانات

فلماذا لم تحذرك نشرة البيانات؟ ربما فعلت، لكن عليك أن تعرف كيف تقرأ التفاصيل الدقيقة. يرغب البائعون في بيعك الإيبوكسي، لذلك يدرجون "الذروة الحرارية" في أحسن الظروف الممكنة.

انظر جيدًا إلى طريقة الاختبار. عادةً ما يُذكر ASTM D2240 أو معيار مماثل، وفي نهاية الملاحظات، يحدد وزن عينة الاختبار. وهو دائمًا تقريبًا 100 غرام. 100 غرام هو فنجان قهوة. ليس برميلًا سعة 55 جالونًا أو علبة عالية الجهد ذات قسم عميق. الاعتماد على ذلك الرقم لصب كمية كبيرة يشبه افتراض أن نار المخيم ونار الغابة لها نفس الناتج الحراري لأنه كلاهما يحترق خشبًا.

علاوة على ذلك، غالبًا ما تختبر المزوّدين في حاوية توصل الحرارة جيدًا، أو توزع المادة في طبقة رقيقة. في منتجك، قد تصب في غلاف بلاستيكي (عازل) حول لوحة الدوائر المطبوعة (عازل). ليس هناك مخرج للحرارة. لا تعتبر نشرة البيانات ضمانًا للأداء؛ إنها قياس أساسي يُؤخذ في "عالم المختبرات". أنت تعيش في "عالم الإنتاج"، وعوامل التحجيم هنا غير خطية. لا يمكنك التنبؤ بدقة بالذروة الحرارية لمجسمك المحدد باستخدام استقراء خطي لبيانات المزوّد.

التخفيف: محور الكيمياء

إذا كنت ترى مستويات حرارة خطيرة، أول وسيلة لديك هي الكيمياء. أنت بحاجة إلى مادة تعمل كمشتت للحرارة بدلاً من مجرد مولد للحرارة.

هذا عادةً ما يتطلب الانتقال إلى نظام "مملوء بشكل كبير". هذه الإيبوكسيات محملة بحشوات موصلة للحرارة مثل الألومينا أو السيليكا. تفعل الحشوات شيئين: توصل الحرارة من النواة إلى السطح، وتستبدل حجم الراتنج التفاعلي. إذا كان المملوء 50% بالوزن، فهذا يعني وجود 50% أقل من التفاعل الكيميائي لكل سنتيمتر مكعب. المقايضة هي اللزوجة — المواد المملوءة تشبه صب العسل البارد — لكنها ستساعد في تقليل درجات الحرارة الذروية لديك.

قد تفكر أيضًا في ترك الإيبوكسي بالكامل. تتسم السيليكونات والأوريثانات بخصائص أقل في إطلاق الحرارة. السيليكونات، على وجه الخصوص، تسهل درجات حرارة المعالجة ولا تضع ضغطًا على المكونات لأنها تظل ناعمة (صلابة Shore A منخفضة). ومع ذلك، قبل التحول إلى السيليكون، تذكر أن زيوتها تتجاوب في كل مكان ويمكن أن تسبب فشل في الالتصاق في عمليات الطلاء أو الطلاء في مراحل لاحقة. فهي تحل مشكلة الحرارة لكنها تقدم مخاطر تلوث يجب إدارتها.

التخفيف: محور العملية

إذا كان عليك استخدام إيبوكسي صلب ولديك حجم كبير لملئه، لا يمكنك مقاومة قوانين الفيزياء للتفاعل. عليك تغيير هندسة الصب.

الحل الأكثر موثوقية (ولكن مكلف) هو "صب مرحلتين". تملأ الوحدة حتى منتصفها، تغطي المكونات الأقل حساسية أو القاعدة فقط. تترك ذلك الطبقة تتجمد وتبرد. ثم تصب النصف الثاني. بتقسيم الكتلة، تقلل بشكل كبير من ارتفاع حرارة إطلاق الحرارة الزائد. يمكن أيضًا أن تتفرق حرارة الصب الثاني في الطبقة الأولى، التي تعمل كمشتت حرارة.

مديرو الإنتاج يكرهون ذلك. فهو يضاعف وقت التعامل ويزيد من العمل الجاري على الأرض. سيسألون عما إذا كان بإمكانهم فقط وضع رفوف المعالجة في الثلاجة لتبريدها. هذا محفوف بالمخاطر. إذا قمت بتبريد الخارج بسرعة كبيرة بينما يتفاعل الداخل، فإنك تخلق تدرجًا حراريًا يؤدي إلى ضغط داخلي هائل وتشققات. يمكنك استخدام مراوح لتحريك الهواء، لكن التبريد النشط غالبًا ما يسبب مشكلات أكثر مما يحل، بما في ذلك تكثف الرطوبة على السطح غير المعالج الذي يمكن أن يعيق التفاعل.

الحقيقة الوحيدة هي الترموكابل

يمكنك نمذجة ذلك، وقراءة ورقات البيانات، والتجادل مع ممثلي البائعين. ولكن هناك طريقة واحدة لمعرفة ما إذا كنت تطبخ لوحتك.

عليك التضحية بوحدة.

خذ لوحة هندسة الإنتاج والإسكان. اصنع ثقبًا في العلبة أو أدخل مسبارًا قبل الصب. قم بتثبيت ترموبCouple من نوع K مباشرةً في مركز أكبر كتلة من الإيبوكسي، أو الصقه بجسم مكثف الحساسية الخاص بك. اسكب مادة التعبئة وخيط المسبار بجهاز تسجيل البيانات. ابتعد واتركه يتصلب.

عندما تعود، راقب المنحنى. إذا رأيت قمة تصل إلى 140°C أو 160°C، فلك إجابتك. لا تتجاوز أي نقاش نظري البيانات من الترموبCouple. ذلك المخطط هو ترخيصك للمطالبة بتغيير في العملية، أو تبديل المادة، أو إعادة تصميم. حتى يكون لديك ذلك الخط على رسم بياني، أنت تتخبط، والفيزياء تنتظر إثبات أنك مخطئ.