La termodinámica del fallo: por qué el encapsulado cocina tus placas

Pasas meses optimizando la integridad de la señal. Luchas por cada decibelio del nivel de ruido. Validas la gestión térmica de los FETs con disipadores elaborados y modelos de flujo de aire. Luego, al final de la línea, entregas la placa a producción para que sea encapsulada. Ellos mezclan una resina epoxi de dos componentes, la vierten en la carcasa y la colocan en un estante para curar.

Exactamente ahí es donde pierdes la unidad.

No fue un cortocircuito eléctrico ni un fallo de firmware. Fue una falta de respeto a la violencia de la reacción química que acabas de iniciar. Encapsular no es simplemente 'secar' o 'endurecer'. Es un evento de polimerización exotérmica. Cuando mezclas la Parte A y la Parte B, inicias un fuego que arde químicamente en lugar de oxidativamente. Si no controlas ese fuego, la temperatura interna de la masa de encapsulado puede fácilmente superar los 180°C—cocinando tus capacitores electrolíticos, desoldando resistencias y agrietando núcleos de ferrita antes incluso de que la unidad salga de la fábrica.

La física de la química enfadada

El error fundamental que comete la mayoría de los ingenieros es suponer que la temperatura dentro de la taza de encapsulado coincide con la del horno de curado o con la del ambiente. Esto es peligrosamente incorrecto. La reacción entre una resina epoxi y su endurecedor libera energía. En una película delgada, como un recubrimiento conformal, ese calor se disipa en el aire al instante. La reacción se mantiene fría. Pero el encapsulado es un proceso en masa. Estás vertiendo una capa gruesa e aislante de plástico alrededor de una fuente de calor que es el propio plástico.

Esto crea un ciclo térmico descontrolado impulsado por la ecuación de Arrhenius: por aproximadamente cada 10°C de aumento en la temperatura, la velocidad de la reacción se duplica. A medida que la resina epoxi reacciona, genera calor. Ese calor no puede escapar porque el epoxi es un aislante térmico natural. Por lo tanto, el calor permanece en el núcleo, aumentando la temperatura. La temperatura más alta hace que el epoxi restante reaccione más rápido, generando más calor, impulsando aún más la reacción. Es un motor que se acelera hasta que se queda sin combustible o funde algo.

Podrías pensar que estás seguro porque estás usando una formulación de 'Curado a Temperatura Ambiente'. No dejes que la terminología te engañe. 'Temperatura ambiente' simplemente significa que no necesitas un horno externo para iniciar la reacción; no significa que el material se mantenga a temperatura ambiente. De hecho, las resinas epoxi de 'curado rápido en 5 minutos' son a menudo las más violentas. He visto a un técnico mezclar un cubo de 5 galones de epoxi de curado rápido, con la intención de vaciarlo durante una hora. En diez minutos, el cubo era un volcán humeante que derretía su propio forro de plástico y se fusionaba con el suelo de concreto. La física del efecto masa no negocia.

No confundas esto con un error de mezcla. Sí, si mezclas en la proporción incorrecta, obtienes un desastre blando y gomoso que nunca cura. Eso es un fallo, pero es un fallo “seguro”. El escenario mucho más peligroso es cuando mezclas perfectamente, pero subestimas la masa. Una taza de 100 gramos puede alcanzar un pico de temperatura manejable de 60°C. El mismo material, vertido en un depósito de 2 litros para una fuente de alimentación de alto voltaje, tiene una relación superficie-volumen mucho menor. No puede disipar el calor. La temperatura del núcleo se dispara, y de repente tienes un recipiente reactor en tu banco de trabajo. perfectamente, pero subestima la masa. Una taza de 100 gramos puede alcanzar un pico de temperatura manejable de 60°C. El mismo material, vertido en un depósito de 2 litros para una fuente de alimentación de alto voltaje, tiene una relación superficie-volumen mucho menor. No puede disipar el calor. La temperatura del núcleo se dispara, y de repente tienes un recipiente reactor en tu banco de trabajo.

Asesinos silenciosos: cómo mueren los componentes

Cuando el exotérmico alcanza su pico, el daño rara vez es visible por fuera. La superficie del encapsulado puede parecer impecable, tal vez un poco cálida al tacto. Pero en lo profundo, donde el calor no tenía a dónde ir, el entorno se ha vuelto hostil.

Toma un ensamblaje estándar de montaje superficial. Tienes condensadores 0402 soldados a FR4. Cuando la exotermia de la epoxi alcanza su pico—digamos 160°C—la placa está caliente, pero la soldadura mantiene. Sin embargo, al terminar la reacción, la epoxi se endurece en un sólido rígido. Ahora toda la masa comienza a enfriarse hasta la temperatura ambiente. Ahora enfrentas el segundo problema mortal: el desajuste en el Coeficiente de Expansión Térmica (CTE). La epoxi se contrae al enfriarse. La PCB se contrae a una tasa diferente. El condensador cerámico no se contrae mucho en absoluto. El resultado es una fuerza cortante masiva aplicada directamente a las juntas de soldadura. He visto condensadores arrancados de sus pads, o peor aún, agrietados internamente, de modo que pasan una prueba de continuidad hoy, pero fallan en abierto después de un mes de vibración en el campo.

Los componentes magnéticos son aún más vulnerables. Los núcleos de ferrita son cerámicas frágiles que dependen de estructuras cristalinas específicas para mantener la inductancia. Cuando encases un transformador en una epoxi dura y sin relleno y lo dejas exothermar, básicamente lo estás sometiendo a una descarga térmica seguida de una mordaza mecánica aplastante. Si te quedas en una sala de producción silenciosa después de que un lote de fuentes de alimentación ha sido encapsulado, a veces puedes escuchar el débil sonido de cracking de los núcleos de ferrita por el calor en la resina de enfriamiento. No lo verás, pero los valores de inductancia se desviarán fuera de las especificaciones, y la eficiencia de tu fuente disminuirá. tinc tink sonido de núcleos de ferrita agrietándose dentro de la resina de enfriamiento. No lo verás, pero tus valores de inductancia se desviarán de las especificaciones, y la eficiencia de tu fuente de alimentación se resentirá.

Las baterías son el juego con mayores riesgos aquí. Si estás encapsulando celdas 18650 para un paquete prototipo, estás jugando con fuego—literalmente. Las epoxis estructurales estándar pueden alcanzar fácilmente temperaturas que derriten el recubrimiento de PVC en las celdas (usualmente clasificado para ~80°C a 100°C). Una vez que esa aislación se derrite, las celdas hacen cortocircuito entre ellas o con la carcasa. He visto paquetes que no explotaron, pero estaban efectivamente muertos a la llegada porque el evento térmico durante el encapsulado comprometió los separadores.

La mentira de la hoja de datos

Entonces, ¿por qué no te avisó la hoja de datos? Probablemente sí, pero debes saber cómo leer la letra pequeña. Los proveedores quieren venderte epoxi, así que colocan el “Pico de Exotermia” en las condiciones más favorables posibles.

Mira detenidamente el método de prueba. Por lo general, cita ASTM D2240 o un estándar similar, y en alguna nota al pie, especificará la masa de la muestra de prueba. Casi siempre es de 100 gramos. 100 gramos es una taza de café. No es un tambor de 55 galones o una carcasa de alto voltaje de sección profunda. Confiar en ese número para un vertido de gran volumen es como suponer que una fogata y un incendio forestal tienen la misma salida térmica porque ambos queman madera.

Además, los proveedores suelen probar en un recipiente que conduce bien el calor, o distribuyen el material en una capa delgada. En tu producto, es posible que estés vertiendo en una carcasa de plástico (aislante) alrededor de una PCB (aislante). El calor no tiene vía de escape. La hoja de datos no garantiza el rendimiento; es una medición base tomada en “Laboratorio Mundial”. Tú vives en “Mundo de la Producción”, y los factores de escala aquí no son lineales. No puedes predecir con exactitud el pico de exotermia de tu geometría específica usando una extrapolación lineal de los datos del proveedor.

Mitigación: la pivote de la química

Si ves niveles peligrosos de calor, tu primera palanca es la química. Necesitas un material que actúe como disipador de calor en lugar de solo generar calor.

Esto generalmente significa pasar a un sistema “altamente lleno”. Estas epoxis están cargadas con rellenos térmicamente conductores como la alúmina o sílice. Los rellenos hacen dos cosas: conducen el calor del núcleo a la superficie, y desplazan el volumen de resina reactiva. Si un molde tiene un 50% de relleno en peso, eso implica 50% menos reacción química por centímetro cúbico. La compensación es la viscosidad—los materiales llenos son como verter miel fría—pero mantendrán tus temperaturas pico más bajas.

También podrías considerar dejar el epoxi completamente. Los siliconas y urethanes generalmente tienen mucho menor exothermia. En particular, los siliconas son muy indulgentes con la temperatura de curado y ejercen casi ninguna tensión en los componentes porque permanecen suaves (Bajo dureza Shore A). Sin embargo, antes de cambiar a silicona, recuerda que los aceites de silicona migran por todas partes y pueden causar fallos de adherencia en procesos de pintura o recubrimiento aguas abajo. Resuelve el problema de calor pero introduce un riesgo de contaminación que debes gestionar.

Mitigación: la pivote del proceso

Si debes usar un epoxi rígido y tienes un volumen grande para llenar, no puedes luchar contra la física de la reacción. Tienes que cambiar la geometría de la vertido.

La solución más confiable (aunque costosa) es el “Vertido en Dos Etapas”. Llenas la unidad hasta la mitad, cubriendo los componentes menos sensibles o solo la base. Dejas que esa capa gelifique y enfríe. Luego viertes la otra mitad. Al dividir la masa, reduces significativamente el pico de exothermia. El calor de la segunda vertido también puede disiparse en la primera capa, que actúa como disipador de calor.

A los gerentes de producción no les gusta esto. Duplica el tiempo de manejo y aumenta el trabajo en proceso (WIP) en la planta. Preguntarán si pueden simplemente poner los soportes de curado en un refrigerador para enfriarlos. Esto es arriesgado. Si enfrías el exterior demasiado rápido mientras el interior reacciona, creas un gradiente térmico que conduce a tensiones internas masivas y fisuras. Puedes usar ventiladores para mover el aire, pero la refrigeración activa a menudo causa más problemas de los que resuelve, incluyendo condensación de humedad en la superficie sin curar, lo cual puede inhibir la reacción.

La única verdad es el termopar

Puedes modelarlo, leer hojas de datos, y discutir con los representantes del proveedor. Pero solo hay una manera de saber si estás cocinando tu placa.

Tienes que sacrificar una unidad.

Toma una placa con intención de producción y la carcasa. Perfora un agujero en la caja o inserta una sonda antes de verter. Incrusta un termopar tipo K directamente en el centro de la mayor masa de epoxi o pásalo con cinta al cuerpo del capacitor más sensible. Vierte el compuesto de encapsulado y conecta la sonda a un registrador de datos. Aléjate y déjalo curar.

Cuando regreses, mira la curva. Si ves un pico alcanzando 140°C o 160°C, tienes tu respuesta. Ningún debate teórico puede anular los datos del termopar. Ese gráfico es tu licencia para exigir un cambio en el proceso, un cambio de material, o un rediseño. Hasta que tengas esa línea en un gráfico, solo estás adivinando, y la física está esperando para demostrártelo.