Der unsichtbare Strom: Warum „No-Clean“-Flussmittel Ihre Batterielebensdauer tötet

Die Mathematik der Enttäuschung

Die Tabelle versprach zehn Jahre. Die Marketingpräsentation versprach zehn Jahre. Die Validierungseinheiten der Technik, die in einem klimatisierten Labor stehen, laufen immer noch einwandfrei. Doch draußen im Feld – vielleicht in einem feuchten Versorgungsschrank in Florida oder einem landwirtschaftlichen Sensornetzwerk an der US-Ostküste – sterben die Einheiten nach sechs Monaten. Die Batterien sind leer.

Wenn das passiert, ist der Instinkt, die Energiequelle zu beschuldigen. Sie ziehen die Protokolle, überprüfen die Bestellungen und überzeugen sich selbst, dass der Distributor Ihnen eine schlechte Charge CR2032 geschickt hat. Sie nehmen an, dass die Selbstentladungsrate falsch angegeben wurde oder dass die Temperatur-Abschaltkurve zu optimistisch war.

Es ist fast nie die Batterie. Moderne Lithium-Primärzellen von Tier-1-Anbietern sind bemerkenswert konsistente chemische Motoren. Wenn sie leer sind, haben sie die Energie nicht in die Luft entweichen lassen; sie haben sie an eine Last abgegeben. Der Haken ist, dass die Last nicht Ihr Mikrocontroller oder Ihr Funkgerät ist. Es ist die Leiterplatte selbst.

Die Lüge des „No-Clean“-Flussmittels

Der Übeltäter ist meist ein Missverständnis des Begriffs „No-Clean“. In der Welt der Hochgeschwindigkeits-Digitaltechnik – denken Sie an Raspberry Pis oder Laptop-Motherboards – ist „No-Clean“-Flussmittel ein standardmäßiges, sicheres Material. Es hinterlässt Rückstände, die chemisch harmlos genug sind, um eine 3,3V-Stromschiene, die Ampere Strom führt, nicht kurzschließen. Der Widerstand dieser Rückstände liegt möglicherweise im Megaohm-Bereich, was für eine CPU-Stromversorgung effektiv einem offenen Stromkreis entspricht.

Aber Sie bauen keinen Laptop. Sie bauen ein Ultra-Low-Power-(ULP)-Gerät, bei dem das Schlafbudget in Nanoampere gemessen wird. In diesem Bereich ist „No-Clean“ eine Marketingerfindung. Die Rückstände des Flussmittels, die durch den Reflow-Prozess zurückbleiben, bestehen aus ionischen Aktivatoren – Säuren, die Oxide auf den Kupferpads auflösen sollen, um eine gute Lötverbindung zu gewährleisten. Wenn die Platine aus dem Ofen kommt, härtet dieser Rückstand effektiv aus. Aber er ist nicht inert. Er ist hygroskopisch. Er zieht Feuchtigkeit aus der Luft an.

Wenn die Luftfeuchtigkeit steigt, verwandelt sich diese harmlose Kruste in einen leitfähigen Elektrolyten. Wir sprechen nicht von einem Totalschluss. Wir sprechen von einem „weichen“ Kurzschluss: einem parasitären Widerstand von etwa 10 bis 50 Megaohm. In einem netzbetriebenen Gerät ist das Rauschen. In einem Gerät, das versucht, bei 500nA zu schlafen, ist ein 20-Megaohm-Parallelschluss über Ihre Batterieklemmen oder den Netzschalter eine Katastrophe. Er zieht kontinuierlich zusätzliche 150nA, 24 Stunden am Tag, unabhängig vom Firmware-Zustand. Dieses unsichtbare Leck raubt Ihnen Ihre neuneinhalb Jahre Batterielebensdauer.

Es besteht eine gefährliche Tendenz, dies mit einer Schutzbeschichtung zu beheben. Die Logik scheint einleuchtend: Wenn Feuchtigkeit der Auslöser ist, versiegeln Sie die Platine. Aber das Besprühen mit Urethan oder Acryl über eine Platine, die nicht gründlich gereinigt wurde, ist keine Lösung – es ist ein Grab. Sie fangen einfach die ionischen Verunreinigungen und die Umgebungsfeuchtigkeit unter der Beschichtung ein. Die Korrosion wird weitergehen, jetzt geschützt vor Ihren Reinigungsversuchen, und die Dendriten werden fröhlich in ihrem privaten Gewächshaus wachsen.

Die unsichtbare Brücke: Feuchtigkeit und Dendriten

Der Ausfallmechanismus ist selten statisch. Er atmet mit der Umgebung. Deshalb können Sie ihn nicht an Ihrem Arbeitsplatz in einem klimatisierten Büro reproduzieren. Die Leitfähigkeit der Flussmittelrückstände ist nichtlinear und chaotisch; sie steigt sprunghaft an, wenn die relative Luftfeuchtigkeit eine Schwelle überschreitet, oft um 60-70%.

Betrachten Sie einen verallgemeinerten Fall einer Smart-Metering-Einführung. Geräte, die in klimatisierten Serverräumen installiert sind, halten ewig. Identische Geräte, die in Außengehäusen installiert sind, fallen während der Regenzeit in Clustern aus. Unter dem Mikroskop kann man manchmal den physischen Beweis sehen: dendritisches Wachstum. Dabei handelt es sich um farnartige metallische Kristalle, die vom Kathoden zum Anoden wachsen, angetrieben von den im Flussmittelrückstand gelösten Metallionen. Sie müssen die Lücke nicht vollständig überbrücken, um Schaden anzurichten. Es reicht, wenn sie den Isolationswiderstand so weit reduzieren, dass die Batterie entladen wird.

Diese Migration wird durch das elektrische Feld angetrieben. Je dichter Ihr Layout ist – 0402-Bauteile, 0,5 mm Raster bei BGAs – desto höher ist die Feldstärke zwischen den Pins und desto schneller erfolgt die Migration. Der Rückstand muss für das bloße Auge nicht sichtbar sein, um fatal zu sein. Eine Monolage ionischer Verunreinigungen reicht aus, um zwei Pads auf einem Mikrocontroller zu überbrücken, ihn aus dem Tiefschlaf zu wecken oder einfach Strom von VCC zu Masse abfließen zu lassen.

Ihr Multimeter belügt Sie

Ein Grund dafür, dass dieser Ausfallmodus bestehen bleibt, ist, dass Standard-Engineering-Tools dafür blind sind. Sie können einen 50nA-Leckstrom nicht mit einem Fluke 87V diagnostizieren. Standard-Handmultimeter haben eine Belastungsspannung – einen internen Spannungsabfall –, der den zu messenden Stromkreis stört. Schlimmer noch, sie mitteln den Strom. Sie können die dynamische Natur eines Lecks, das pulsieren oder driften könnte, nicht erkennen.

Wenn Sie die ULP-Batterielebensdauer debuggen, müssen Sie eine Source Measure Unit (SMU) wie ein Keithley 2450 verwenden oder zumindest ein spezialisiertes Werkzeug wie ein Joulescope. Sie müssen den Grundwert sehen. Sie müssen überprüfen, dass der Strom tatsächlich konstant ist, wenn Ihre Firmware „Schlaf“ sagt. Oft sieht man mit einem geeigneten Instrument das „Kriechen“ – den langsam über Minuten ansteigenden Strom, wenn die Platine warm wird oder der Rückstand auf die Umgebung reagiert. Wenn Sie sich auf eine Standard-Multimeteranzeige von „0,00 uA“ verlassen, fliegen Sie blind.

Das Herstellungsmandat

Die Lösung finden Sie nicht in der Firmware oder in einer größeren Batterie. Sie finden sie im Montagewerk. Sauberkeit muss als Designvorgabe behandelt werden, nicht als Fertigungsdetail.

Wenn Sie für eine Lebensdauer von 10 Jahren bei einer Knopfzelle bauen, können Sie keinen Standard-„No-Clean“-Prozess verwenden. Sie müssen eine Reinigung vorschreiben. Und nicht nur ein Eintauchen in einen Eimer IPA – das verteilt nur das Fett. Sie benötigen eine Inline-Wasserwäsche mit Saponifizierern, gefolgt von einer DI-Wasserspülung und einem Backvorgang, um die Feuchtigkeit zu entfernen.

Das wird ein Kampf. Auftragsfertiger (CMs) hassen Waschlinien. Sie sind teuer, wartungsintensiv und verlangsamen die Linie. Sie werden Ihnen Datenblätter des Flussmittelherstellers zeigen, die behaupten, es erfüllt IPC-J-STD-001. Das müssen Sie ignorieren. Diese Standards gelten für allgemeine Elektronik, nicht für Geräte, die am Rande der Physik leben.

Sie müssen Ionenchromatographie-Tests verlangen. Sie brauchen den Nachweis, dass die Platine chemisch sauber ist, nicht nur optisch sauber. Wenn der CM sich weigert oder versucht, Ihnen ein „besseres“ No-Clean-Flussmittel zu verkaufen, gehen Sie weg. Die Kosten für einen ordnungsgemäßen Waschprozess betragen Cent pro Platine. Die Kosten für einen Vor-Ort-Einsatz, um eine ausgefallene Einheit im Feld zu ersetzen, liegen bei Hunderten von Dollar. Rechnen Sie nach und erzwingen Sie dann die Reinigung.