द इनविजिबल करंट: क्यों “नो-क्लीन” फ्लक्स आपकी बैटरी लाइफ को खत्म कर रहा है

निराशा का गणित

स्प्रेडशीट ने दस साल का वादा किया। मार्केटिंग डेक ने दस साल का वादा किया। इंजीनियरिंग सत्यापन परीक्षण इकाइयाँ, जो एयर-कंडीशन्ड लैब में बैठी हैं, अभी भी पूरी तरह से काम कर रही हैं। फिर भी, क्षेत्र में—शायद फ्लोरिडा के एक आर्द्र उपयोगिता क्लोसेट में या मिड-अटलांटिक के एक कृषि सेंसर नेटवर्क में—इकाइयाँ छह महीने में मर रही हैं। बैटरियाँ खत्म हो गई हैं।

जब ऐसा होता है, तो स्वाभाविक रूप से ऊर्जा स्रोत को दोष देना होता है। आप लॉग निकालते हैं, खरीद आदेश जांचते हैं, और खुद को मनाते हैं कि वितरक ने आपको खराब CR2032 बैच भेजा है। आप मान लेते हैं कि सेल्फ-डिस्चार्ज दर के बारे में झूठ बोला गया था, या तापमान डेरैटिंग कर्व आशावादी था।

यह लगभग कभी बैटरी नहीं होती। टियर 1 विक्रेताओं से आधुनिक लिथियम प्राथमिक सेल्स आश्चर्यजनक रूप से सुसंगत रासायनिक इंजन हैं। यदि वे खाली हैं, तो उन्होंने ऊर्जा को वातावरण में नहीं छोड़ा; उन्होंने इसे लोड को दिया। समस्या यह है कि वह लोड आपका माइक्रोकंट्रोलर या आपका रेडियो नहीं है। यह सर्किट बोर्ड स्वयं है।

“नो-क्लीन” फ्लक्स का झूठ

आम तौर पर दोषी “नो-क्लीन” शब्द की गलत समझ होती है। उच्च गति डिजिटल इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में—जैसे रास्पबेरी पाई या लैपटॉप मदरबोर्ड—"नो-क्लीन" फ्लक्स एक मानक, सुरक्षित सामग्री है। यह ऐसा अवशेष छोड़ता है जो रासायनिक रूप से इतना हानिरहित होता है कि वह 3.3V पावर रेल को शॉर्ट नहीं करता, जो करंट के एम्पियर ले जाता है। उस अवशेष का प्रतिबाधा मेगाहोम्स में हो सकता है, जो CPU पावर सप्लाई के लिए प्रभावी रूप से एक खुला सर्किट होता है।

लेकिन आप लैपटॉप नहीं बना रहे हैं। आप एक अल्ट्रा-लो पावर (ULP) डिवाइस बना रहे हैं जहाँ स्लीप बजट नैनोएम्पियर में मापा जाता है। इस क्षेत्र में, “नो-क्लीन” एक मार्केटिंग झूठ है। रिफ्लो प्रक्रिया द्वारा छोड़ा गया फ्लक्स अवशेष आयनिक सक्रियकों से बना होता है—ऐसे एसिड जो तांबे के पैड्स पर ऑक्साइड को काटने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं ताकि एक अच्छा सोल्डर जॉइंट सुनिश्चित हो सके। जब बोर्ड ओवन से बाहर आता है, तो वह अवशेष प्रभावी रूप से कठोर हो जाता है। लेकिन यह निष्क्रिय नहीं होता। यह हाइज्रोस्कोपिक होता है। यह हवा से नमी खींचता है।

जैसे-जैसे आर्द्रता बढ़ती है, वह हानिरहित परत एक चालक इलेक्ट्रोलाइट में बदल जाती है। हम मृत शॉर्ट की बात नहीं कर रहे हैं। हम “सॉफ्ट” शॉर्ट की बात कर रहे हैं: एक परजीवी प्रतिरोध जो लगभग 10 से 50 मेगाहोम्स के बीच होता है। एक मेन-पावर्ड डिवाइस में, यह शोर है। एक डिवाइस में जो 500nA पर सोने की कोशिश कर रहा है, आपकी बैटरी टर्मिनलों या पावर स्विच के पार 20 मेगाहोम्स का समानांतर प्रतिरोध एक आपदा है। यह लगातार अतिरिक्त 150nA खींचता है, दिन के 24 घंटे, फर्मवेयर स्थिति की परवाह किए बिना। वह अदृश्य रिसाव आपकी नौ और आधे साल की बैटरी लाइफ चुरा लेता है।

इसे कॉनफॉर्मल कोटिंग से पैच करने की एक खतरनाक प्रवृत्ति होती है। तर्क सही लगता है: यदि नमी ट्रिगर है, तो बोर्ड को सील करें। लेकिन एक बोर्ड पर यूरेथेन या एक्रिलिक छिड़कना जिसे आक्रामक रूप से धोया नहीं गया है, समाधान नहीं है—यह एक कब्र है। आप केवल आयनिक संदूषकों और आसपास की नमी को कोटिंग के नीचे फंसा रहे हैं। क्षरण जारी रहेगा, अब आपकी सफाई के प्रयासों से सुरक्षित, और डेंड्राइट्स खुशी-खुशी अपने निजी ग्रीनहाउस में बढ़ेंगे।

अदृश्य पुल: आर्द्रता और डेंड्राइट्स

विफलता तंत्र शायद ही कभी स्थिर होता है। यह पर्यावरण के साथ सांस लेता है। इसलिए आप इसे एयर-कंडीशन्ड ऑफिस में अपनी बेंच पर पुन: उत्पन्न नहीं कर सकते। फ्लक्स अवशेष की चालकता गैर-रैखिक और अराजक होती है; यह तब बढ़ जाती है जब सापेक्ष आर्द्रता एक सीमा पार करती है, अक्सर लगभग 60-70% के आसपास।

स्मार्ट मीटरिंग तैनाती के एक सामान्यीकृत मामले पर विचार करें। जलवायु नियंत्रित सर्वर रूम में स्थापित इकाइयाँ हमेशा के लिए चलती हैं। बाहरी एनक्लोज़र में स्थापित समान इकाइयाँ बरसात के मौसम में समूहों में विफल हो जाती हैं। माइक्रोस्कोप के नीचे, आप कभी-कभी भौतिक प्रमाण देख सकते हैं: डेंड्रिटिक वृद्धि। ये फर्न जैसे धात्विक क्रिस्टल होते हैं जो कैथोड से एनोड की ओर बढ़ते हैं, जो फ्लक्स अवशेष में घुले हुए धातु आयनों द्वारा ईंधनित होते हैं। इन्हें आपको नुकसान पहुंचाने के लिए पूरी तरह से अंतर को पुल करने की आवश्यकता नहीं होती। इन्हें केवल इन्सुलेशन प्रतिरोध को इतना कम करना होता है कि बैटरी धीरे-धीरे डिस्चार्ज हो जाए।

यह प्रवासन विद्युत क्षेत्र द्वारा संचालित होता है। आपकी लेआउट जितनी तंग होगी—0402 घटक, 0.5 मिमी पिच बीजीए—पिनों के बीच क्षेत्र की ताकत उतनी ही अधिक होगी, और प्रवासन उतनी ही तेज़ी से होगा। अवशेष को नंगी आंख से दिखाई देना आवश्यक नहीं है कि वह घातक हो। आयनिक संदूषण की एक मोनोलेयर माइक्रोकंट्रोलर पर दो पैड्स को जोड़ने के लिए पर्याप्त होती है, जिससे वह गहरी नींद से जाग जाता है या बस VCC से ग्राउंड तक करंट बहने लगता है।

आपका मल्टीमीटर आपसे झूठ बोल रहा है

इस विफलता मोड के बने रहने का एक कारण यह है कि मानक इंजीनियरिंग उपकरण इसे नहीं देख पाते। आप Fluke 87V से 50nA लीक का निदान नहीं कर सकते। मानक हैंडहेल्ड मल्टीमीटर में एक बर्डन वोल्टेज होता है—एक आंतरिक वोल्टेज ड्रॉप—जो उस सर्किट को बाधित करता है जिसे आप मापने की कोशिश कर रहे हैं। इससे भी बदतर, वे करंट का औसत निकालते हैं। वे उस लीक की गतिशील प्रकृति को नहीं देख सकते जो पल्सिंग या ड्रिफ्टिंग हो सकती है।

यदि आप ULP बैटरी जीवन को डिबग कर रहे हैं, तो आपको Keithley 2450 जैसे Source Measure Unit (SMU) का उपयोग करना चाहिए, या कम से कम Joulescope जैसे विशेष उपकरण का। आपको फर्श देखना होगा। आपको यह सत्यापित करना होगा कि जब आपका फर्मवेयर "sleep" कहता है, तो करंट वास्तव में स्थिर है। अक्सर, एक उचित उपकरण के साथ, आप "creep" देखेंगे—करंट धीरे-धीरे मिनटों में बढ़ता है जैसे बोर्ड गर्म होता है या अवशेष पर्यावरण के प्रति प्रतिक्रिया करता है। यदि आप "0.00 uA" के मानक मल्टीमीटर रीडिंग पर भरोसा करते हैं, तो आप अंधेरे में उड़ रहे हैं।

निर्माण आदेश

आप समाधान फर्मवेयर या बड़ी बैटरी में नहीं पाएंगे। आप इसे असेंबली हाउस में पाएंगे। स्वच्छता को एक डिजाइन विनिर्देशन के रूप में माना जाना चाहिए, न कि केवल एक निर्माण विवरण के रूप में।

यदि आप एक कॉइन सेल पर 10 साल का जीवन बना रहे हैं, तो आप मानक "नो-क्लीन" प्रक्रिया का उपयोग नहीं कर सकते। आपको वॉश को अनिवार्य करना होगा। और केवल IPA के बाल्टी में डुबोना पर्याप्त नहीं है—यह केवल चिकनाई को फैलाता है। आपको सैपोनिफायर्स के साथ एक इन-लाइन जलीय वॉश, उसके बाद DI पानी से कुल्ला, और नमी हटाने के लिए बेक-आउट की आवश्यकता है।

यह एक लड़ाई होगी। कॉन्ट्रैक्ट मैन्युफैक्चरर्स (CMs) वॉशिंग लाइनों से नफरत करते हैं। वे महंगे होते हैं, रखरखाव की आवश्यकता होती है, और लाइन को धीमा कर देते हैं। वे आपको फ्लक्स विक्रेता के डेटा शीट दिखाएंगे जिसमें दावा किया गया है कि यह IPC-J-STD-001 पास करता है। आपको इसे नजरअंदाज करना होगा। ये मानक सामान्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए हैं, न कि भौतिकी की सीमा पर रहने वाले उपकरणों के लिए।

आपको आयन क्रोमैटोग्राफी परीक्षण की मांग करनी चाहिए। आपको यह प्रमाण चाहिए कि बोर्ड रासायनिक रूप से साफ है, केवल दृश्य रूप से साफ नहीं। यदि CM इनकार करता है, या आपको "बेहतर" नो-क्लीन फ्लक्स पर अपसेल करने की कोशिश करता है, तो दूर चले जाएं। उचित वॉश प्रक्रिया की लागत प्रति बोर्ड कुछ पैसे है। क्षेत्र में मृत इकाई को बदलने के लिए ट्रक रोल की लागत सैकड़ों डॉलर है। गणना करें, और फिर वॉश को मजबूर करें।