Die Thermodynamik des Versagens: Warum das Topfen Ihre Platinen kocht

Du verbringst Monate damit, die Signalintegrität zu optimieren. Du kämpfst um jeden Dezibel des Rauschpegels. Du validierst das Wärmemanagement der FETs mit aufwendigen Kühlkörpern und Luftstrommodellen. Dann gibst du am Ende der Linie das Board zur Vergussherstellung in die Hand. Sie mischen ein Zweikomponenten-epoxid, gießen es in das Gehäuse und stellen es auf ein Regal zum Aushärten.

Genau dort verlierst du die Einheit.

Es war kein elektrischer Kurzschluss oder ein Firmware-Fehler. Es war ein Versäumnis, die Gewalt der chemischen Reaktion zu respektieren, die du gerade eingeleitet hast. Verguss ist nicht einfach nur „trocknen“ oder „härten“. Es ist ein exothermer Polymerisationsprozess. Wenn du Teil A und Teil B mischst, entfachst du ein Feuer, das chemisch statt oxidativ brennt. Wenn du dieses Feuer nicht kontrollierst, kann die Innentemperatur der Vergussmasse leicht 180 °C übersteigen – deine Elektrolytkondensatoren kochen, Widerstände verlöten sich ab und Ferritkerne springen, noch bevor die Einheit die Produktionslinie verlässt.

Die Physik der wütenden Chemie

Der grundlegende Fehler, den die meisten Ingenieure machen, besteht darin, anzunehmen, dass die Temperatur im Vergussbehälter der im Aushärteofen oder im Raum entspricht. Das ist gefährlich falsch. Die Reaktion zwischen einem Epoxidharz und seinem Härter setzt Energie frei. In einem dünnen Film, wie einer conformal Beschichtung, dissipiert diese Wärme sofort in die Luft. Die Reaktion bleibt kühl. Aber Verguss ist ein Massenprozess. Du gießt eine dicke, isolierende Plastikschicht um eine Wärmequelle, die die Kunststoff selbst ist.

Dies erzeugt eine unkontrollierte thermische Schleife, angetrieben durch die Arrhenius-Gleichung: Für etwa alle 10°C Temperaturanstieg verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Während das Epoxid reagiert, erzeugt es Wärme. Diese Wärme kann nicht entweichen, weil Epoxid ein natürlicher Wärmedämmstoff ist. Also bleibt die Wärme im Kern, erhöht die Temperatur. Die höhere Temperatur lässt das verbleibende Epoxid schneller reagieren, wodurch mehr Wärme, die die Reaktion noch stärker vorantreibt. Es ist ein Motor, der sich selbst beschleunigt, bis er keinen Treibstoff mehr hat oder etwas schmilzt.

Du könntest denken, du bist sicher, weil du eine „Raumtemperaturhärter“-Formulierung verwendest. Lass dich vom Begriff nicht täuschen. „Raumtemperatur“ bedeutet nur, dass du keinen externen Ofen benötigst, um die Reaktion zu starten; es bedeutet nicht, dass das Material bei Raumtemperatur bleibt. Tatsächlich sind Schnellhärtende Epoxide wie „5-Minuten“-Epoxide oft die schlimmsten Übeltäter. Ich habe gesehen, wie ein Techniker einen 20-Liter-Eimer Schnellhärtendes Epoxid mischte, um es in einer Stunde zu vergießen. Innerhalb von zehn Minuten war der Eimer ein rauchender Vulkan, der seine Plastikeinlage schmolz und am Betonboden verfestigte. Die Physik des Massenwirkungsgesetzes ist unanfechtbar.

Verwechsel das nicht mit einem Mischfehler. Ja, wenn du das Verhältnis falsch mischst, erhältst du eine gummiartige, weiche Masse, die niemals aushärtet. Das ist ein Fehler, aber ein "inoffizieller" Fehler. Das viel gefährlichere Szenario ist, wenn du es perfekt, aber die Masse unterschätzt. Eine 100-Gramm-Tasse könnte bei etwa 60°C ihren Höhepunkt erreichen. Dasselbe Material, in einem 2-Liter-Reservoir für eine Hochspannungsstromversorgung gegossen, hat ein deutlich geringeres Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis. Es kann die Wärme nicht abgeben. Die Kerntemperatur steigt an, und plötzlich hast du einen Reaktorkessel auf deinem Arbeitstisch stehen.

Stille Killer: Wie Komponenten sterben

Wenn die exotherme Reaktion ihren Höhepunkt erreicht, ist der Schaden selten sichtbar von außen. Die Oberfläche der Vergussmasse könnte glänzen, vielleicht etwas warm anfühlen. Aber tief im Inneren, wo die Hitze keinen Ausweg findet, ist die Umgebung feindlich geworden.

Nehmen wir eine standardmäßige SMD-Baugruppe. Auf die FR4-Platine sind 0402-Kondensatoren gelötet. Wenn die exotherme Reaktion des Epoxids ihren Höhepunkt erreicht – sagen wir 160°C – ist die Platine heiß, aber das Lötzinn hält. Sobald die Reaktion beendet ist, härtet das Epoxid zu einem starren Block aus. Jetzt beginnt die Masse, auf Raumtemperatur abzukühlen. Das zweite große Problem ist der Koeffizient der thermischen Ausdehnung (CTE)-Unterschiede. Das Epoxid zieht sich beim Abkühlen zusammen. Die Leiterplatte schrumpft unterschiedlich. Der Keramik-Kondensator zieht sich kaum zusammen. Das Ergebnis ist eine massive Scherkraft, die direkt auf die Lötstellen wirkt. Ich habe schon gesehen, wie Kondensatoren von ihren Pads abgerissen wurden oder noch schlimmer, intern Risse bekommen haben, sodass sie heute einen Durchgangsprüfung bestehen, aber nach einem Monat Vibration im Einsatz offen durchbrechen.

Magnetische Bauteile sind noch anfälliger. Ferritkerne sind spröde Keramik, die auf bestimmte kristalline Strukturen angewiesen sind, um die Induktivität zu erhalten. Wenn du einen Transformator in einem festen, unbefüllten Epoxid einschließt und es exothermiert, setzt du ihn im Wesentlichen einem thermischen Schock aus, gefolgt von einer zerquetschenden mechanischen Presse. Stehst du in einer ruhigen Fertigungshalle, nachdem eine Charge Netzteile vergossen wurde, kannst du manchmal das leisere tink tink Geräusch hören, wenn Ferritkerne im Kühlharz reißen. Du wirst es nicht sehen, aber deine Induktivitätswerte werden aus der Spezifikation geraten, und die Effizienz deiner Stromversorgung sinkt.

Batterien sind hier das risikoreichste Spiel. Wenn du 18650-Zellen für einen Prototyp-Block vergisst, spielst du mit Feuer – buchstäblich. Übliche Epoxidharze können leicht Temperaturen erreichen, die die PVC-Schrumpfschicht um die Zellen schmelzen (meist um die 80°C bis 100°C). Wenn diese Isolierung schmilzt, shortet die Zelle gegen die andere oder den Gehäuseteil. Ich habe Pakete gesehen, die nicht explodierten, aber effektiv auf der Ankunft tot waren, weil das thermische Ereignis beim Vergießen die Separatoren beschädigte.

Der Datenblatt-Lüge

Warum hat das Datenblatt dich dann nicht gewarnt? Es hat wahrscheinlich, aber du musst wissen, wie man Kleingedrucktes liest. Händler wollen dir das Epoxid verkaufen, deshalb listen sie die "Peak Exotherm" unter den günstigsten Bedingungen auf.

Sieh dir die Testmethode genau an. Normalerweise zitiert sie ASTM D2240 oder eine ähnliche Norm, und irgendwo in den Fußnoten gibt sie die Masse der Testprobe an. Es ist fast immer 100 Gramm. 100 Gramm ist eine Kaffeetasse. Es ist kein 55-Gallonen-Fass oder ein Hochspannungsgehäuse mit tiefem Querschnitt. Sich auf diese Zahl für eine Großvolumen-Abriss zu verlassen, ist so, als würde man annehmen, dass ein Lagerfeuer und ein Waldbrand die gleiche Wärmemenge produzieren, weil beide Holz verbrennen.

Außerdem testen Händler oft in einem Behälter, der Wärme gut leitet, oder verteilen das Material in einer dünnen Schicht. Bei deinem Produkt könntest du in einem Kunststoffgehäuse (Isolator) um eine Leiterplatte (Isolator g) gießen. Die Hitze hat keinen Fluchtweg. Das Datenblatt ist keine Leistungszusage; es ist eine Basismessung, die im "Laborwelt" durchgeführt wird. Du lebst in der "Produktionswelt" und die Skalierungsfaktoren hier sind nicht-linear. Du kannst die maximale exotherme Hitze deiner spezifischen Geometrie nicht durch lineare Extrapolation der Daten des Anbieters vorhersagen.

Milderung: Der Chemiepivot

Wenn du gefährliche Hitzeentwicklung beobachtest, ist dein erster Hebel die Chemie. Du brauchst ein Material, das als Wärmesenke wirkt, anstatt nur Wärme zu erzeugen.

Das bedeutet in der Regel den Wechsel zu einem "stark gefüllten" System. Diese Epoxide sind mit thermisch leitfähigen Füllstoffen wie Aluminiumoxid oder Siliciumdioxid gefüllt. Die Füllstoffe bewirken zwei Dinge: Sie leiten die Wärme vom Kern zur Oberfläche, und sie verdrängen das reaktive Harzvolumen. Wenn ein Gehäuse 50% Füllstoff nach Gewicht enthält, sind 50% weniger chemische Reaktion pro Kubikzentimeter. Der Kompromiss liegt in der Viskosität – gefüllte Materialien sind wie kalter Honig, aber sie halten deine Spitzen-Temperaturen niedrig.

Sie könnten auch erwägen, Epoxid ganz und gar hinter sich zu lassen. Silikone und Urethane haben im Allgemeinen viel niedrigere Exotherme. Silikone sind insbesondere sehr verzeihend bei der Aushärtungstemperatur und belasten die Komponenten kaum, da sie weich bleiben (Niedrig Shore A Härte). Denken Sie jedoch daran, dass Silikonöle überall migrieren und Haftungsfehler bei Druck- oder Beschichtungsprozessen verursachen können. Es löst das Hitzeproblem, bringt jedoch ein Kontaminationsrisiko mit sich, das Sie verwalten müssen.

Milderung: Der Prozess-Pivot

Wenn Sie eine starre Epoxidharz verwenden müssen und ein großes Volumen füllen wollen, können Sie den Physik der Reaktion nicht entkommen. Sie müssen die Gießgeometrie ändern.

Die zuverlässigste (wenn auch teure) Lösung ist das „Zwei-Phasen-Gießen“. Sie füllen die Einheit zur Hälfte und bedecken die weniger empfindlichen Komponenten oder nur die Basis. Sie lassen diese Schicht aushärten und abkühlen. Dann gießen Sie die zweite Hälfte. Durch die Aufteilung der Masse reduzieren Sie den Exotherm-Spike erheblich. Die Wärme vom zweiten Guss kann auch in die erste Schicht dissipieren, die als Wärmesenke dient.

Produktionsmanager hassen das. Es verdoppelt die Handhabungszeit und erhöht den Work-in-Progress (WIP) auf der Fertigungsbahn. Sie werden fragen, ob sie die Aushärter in den Kühlschrank stellen können, um sie abzukühlen. Das ist riskant. Wenn Sie die Außenseite zu schnell kühlen, während das Innere reagiert, schaffen Sie ein thermisches Gradient, das zu massiven internen Spannungen und Rissen führt. Sie können Ventilatoren verwenden, um Luft zu bewegen, aber aktive Kühlung verursacht oft mehr Probleme als sie löst, einschließlich Feuchtigkeitskondensation auf der ungehärteten Oberfläche, die die Reaktion hemmen kann.

Die einzige Wahrheit ist der Thermoelement

Sie können das modellieren, Datenblätter lesen und mit den Händlervertretern diskutieren. Aber es gibt nur einen Weg, um zu wissen, ob Sie Ihre Platine „kochen“.

Sie müssen eine Einheit opfern.

Nehmen Sie eine Produktionseinheit Leiterplatte und Gehäuse. Bohren Sie ein Loch in das Gehäuse oder bringen Sie eine Sonde vor dem Gießen unter. Betten Sie einen K-Typ-Thermokopf direkt in die Mitte der größten Epoxidmasse ein oder kleben Sie ihn an die Seite Ihres empfindlichsten Kondensators. Gießen Sie das Vergussmaterial und verbinden Sie die Sonde mit einem Datenlogger. Gehen Sie weg und lassen Sie es aushärten.

Wenn Sie zurückkommen, schauen Sie sich die Kurve an. Wenn Sie einen Spike bei 140°C oder 160°C sehen, haben Sie die Antwort. Kein theoretischer Diskurs übertrifft die Daten des Thermokopfes. Dieses Diagramm ist Ihre Erlaubnis, eine Prozessänderung, einen Materialwechsel oder eine Neugestaltung zu verlangen. Bis Sie diese Linie auf einem Diagramm haben, raten Sie nur, und die Physik wartet darauf, Sie zu widerlegen.