विफलता का थर्मोडायनामिक्स: क्यों पॉटिंग आपके बोर्डों को पकाता है

आप महीनों सिग्नल अखंडता का अनुकूलन करते हैं। आप हर डेसिबल नॉइज़ फर्श के लिए लड़ते हैं। आप elaborate heatsinks और airflow मॉडल के साथ FETs के थर्मल प्रबंधन को मान्य करते हैं। फिर, लाइन के ठीक अंत में, आप बोर्ड को पॉट करने के लिए उत्पादन को सौंप देते हैं। वे एक दो-भाग epoxy मिलाते हैं, इसे घर में डालते हैं, और क्यूरेस के लिए रैक पर रख देते हैं।

यही वह जगह है जहाँ आप यूनिट खो देते हैं।

यह कोई विद्युत शॉर्ट या फ़र्मवेयर बग नहीं था। यह उस रासायनिक प्रतिक्रिया का सम्मान नहीं करने में विफलता थी जिसे आपने अभी शुरू किया था। पॉटिंग केवल “कुश्क करना” या “सख्त करना” नहीं है। यह एक ऊष्मा उत्सर्जक पॉलीमराइज़ेशन घटना है। जब आप भाग A और भाग B मिलाते हैं, तो आप एक आग शुरू करते हैं जो रासायनिक रूप से जलती है, ऑक्सीकरण नहीं बल्कि। यदि आप उस आग का प्रबंधन नहीं करते हैं, तो पोटिंग मैस का आंतरिक तापमान आसानी से 180°C से ऊपर पहुंच सकता है—आपके इलेक्ट्रोलाइटिक कैपेसिटर को पकाना, रेसिस्टर्स को सोल्डर से निकालना, और फेराइट कोर फोड़ना इससे पहले कि यूनिट भी फ़ैक्टरी से बाहर आए।

ग़ुस्से में रासायनिक विज्ञान का भौतिकी

मूलभूत गलती अधिकांश इंजीनियरों द्वारा की जाती है जब वे मानते हैं कि पॉटिंग कप के अंदर तापमान जांचा रहता है वह अपने संरक्षक भट्ठी या कमरे से मेल खाता है। यह बहुत खतरनाक गलत है। एक epoxy राल और उसके हार्डनर के बीच प्रतिक्रिया ऊर्जा रिलीज़ करती है। एक पतली फिल्म, जैसे एक कंफ़ॉर्मल कोटिंग, इस गर्मी को तुरंत हवा में dissipate कर देती है। प्रतिक्रिया ठंडी रहती है। लेकिन पॉटिंग एक बल्क प्रक्रिया है। आप प्लास्टिक की एक मोटी, अस्थिर चादर डाल रहे हैं जो खुद प्लास्टिक ही गर्मी स्रोत है।

यह एक दौड़ते हुए तापीय लूप का कारण बनता है जो ऐरेनियस समीकरण से चलता है: लगभग हर 10°C तापमान बढ़ने पर, प्रतिक्रिया दर दोगुनी हो जाती है। जैसे ही epoxy प्रतिक्रिया करता है, वह गर्मी उत्पन्न करता है। वह गर्मी बाहर नहीं जा सकती क्योंकि epoxy एक प्राकृतिक थर्मल इन्सुलेटर है। इसलिए, गर्मी कोर में रहती है, तापमान बढ़ाती है। उच्च तापमान शेष epoxy को तेज़ी से प्रतिक्रिया करने पर मजबूर करता है, जिससे अधिक गर्मी, प्रतिक्रिया को और भी तेज़ी से चलाता है। यह एक इंजन है जो अपने ईंधन खत्म होने या कुछ पिघल जाने तक खुद को तेज़ करता है।

आप सोच सकते हैं कि आप सुरक्षित हैं क्योंकि आप “रूम टेम्परेचर क्योर” सूत्र का उपयोग कर रहे हैं। terminologies को मूर्ख मत बनाओ। “रूम टेम्परेचर” का मतलब बस इतना है कि आपको प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए बाहरी ओवन की आवश्यकता नहीं है; इसका मतलब यह नहीं है कि सामग्री कमरे के तापमान पर रहती है। वास्तव में, तेज सेटिंग वाले “5-मिनट” epoxy अक्सर सबसे हिंसक अपराधी होते हैं। मैंने एक तकनीशियन को 5 गैलन की त्वरित सेट epoxy का मिश्रण करते देखा है, इसे एक घंटे के अंदर इस्तेमाल करने हेतु। दस मिनट के भीतर, वह बालू का ज्वालामुखी बन गया, जो अपने ही प्लास्टिक लाइनर को melted कर देता है और कंक्रीट की फर्श से जुड़ जाता है। मास प्रभाव का भौतिकी कोई बातचीत नहीं करता।

इसको मिलावट की गलती मत समझिए। हाँ, अगर आप अनुपात को गलत मिलाते हैं, तो आपको एक च्युइंगम, नरम गड़बड़ मिलती है जो कभी ठीक नहीं होती। वह विफलता है, पर यह एक "सुरक्षित" विफलता है। इससे ज़्यादा खतरनाक स्थिति तब होती है जब आप मिलाते हैं बिल्कुल, लेकिन मात्रा का अनुमान न करें। 100 ग्राम का कप संभवतः 60°C पर चरम पर पहुंच सकता है। वही सामग्री, जिसे 2 लीटर के भंडार में उच्‍च-वोल्टेज पावर सप्लाई के लिए डाला गया है, का सतह-क्षेत्र-से-आयतन अनुपात बहुत कम होता है। यह गर्मी नहीं छोड़ सकता। कोर तापमान तेज़ी से बढ़ता है, और आप के कार्यशाला पर अचानक एक रिएक्टर वेसल दिखाई देता है।

मौन हत्यारे: घटक कैसे मरते हैं

जब उत्सर्जक चरम पर पहुंचता है, तो नुकसान बाहर से ज्यादा दिखाई नहीं देता। पॉटिंग की सतह सुंदर दिख सकती है, शायद हाथ से थोड़ी गर्म भी लगे। लेकिन भीतरी अंचल में, जहां गर्मी जाने का कोई स्थान नहीं था, वातावरण हानिकारक हो गया है।

मानक सतह-माउंट असेंबली लें। आपके पास 0402 कैपेसिटर FR4 पर सोल्डर हैं। जैसे ही एपॉक्सी उत्सर्जन अपने शिखर पर पहुंचता है—मान लीजिए 160°C—सतह गरम होती है, पर सोल्डर पकड़ता है। हालांकि, जैसे ही रिएक्शन समाप्त होता है, एपॉक्सी कठोर सॉलिड में सख्त हो जाती है। अब पूरे मास को कमरे के तापमान तक ठंडा होने लगता है। अब आप दूसरे खतरनाक कारक का सामना कर रहे हैं: तापीय विस्तार गुणांक (CTE) में असमानता। जैसे ही एपॉक्सी सिकुड़ती है, पीसीबी भी अलग गति से सिकुड़ती है। सिरेमिक कैपेसिटर अधिक नहीं सिकुड़ता। नतीजा है कि अत्यधिक shear बल सीधे सोल्डर जॉइंट पर लागू होता है। मैंने देखा है कि कैपेसिटर अपनी पैड से खींचे गए हैं, या फिर अंदर से टूट गए हैं, जिससे वे आज चालू रहते हैं, लेकिन एक महीने की वाइब्रेशन के बाद खुल गए हैं।

चुंबकीय कंपोनेंट और भी अधिक संवेदनशील होते हैं। फेराइट कोर भंगुर सिरेमिक होते हैं, जो इंडक्टेंस बनाए रखने के लिए विशिष्ट क्रिस्टलीय संरचनाओं पर निर्भर करते हैं। जब आप ट्रांसफॉर्मर को कठोर, अपूरणीय एपॉक्सी में ढकते हैं और उसको उत्सर्जित करते हैं, तो आप इसे तापीय झटके का सामना कराते हैं, उसके बाद विध्वंसकारी механिकल वाइस्ट के रूप में। यदि आप एक शांत उत्पादन क्षेत्र में खड़े हैं, तो आप कभी-कभी हल्की आवाज सुन सकते हैं टिंक टिंक फेराइट कोर के टूटने की ध्वनि ठंडक रेसिन के अंदर होती है। आप इसे नहीं देखेंगे, पर आपके इंडक्टेंस मान विचलित हो जाएंगे, और आपकी शक्ति आपूर्ति की दक्षता गिर जाएगी।

बैटरी यहाँ सबसे खतरनाक खेल हैं। यदि आप 18650 सेल्स को एक प्रोटोटाइप पैक के लिए पॉट कर रहे हैं, तो आप आग खेल रहे हैं—ज़रूर। मानक संरचनात्मक एपॉक्सी आसानी से तापमान पर पहुंच सकते हैं जो सेल के PVC शिंक रैप को पिघला देता है (~80°C से 100°C)। जैसे ही वह इंसुलेशन पिघलता है, सेल एक-दूसरे या केस के साथ शॉर्ट कर सकते हैं। मैंने देखे हैं पैक जो फटना नहीं, बल्कि प्रभावी रूप से डेड हैं, क्योंकि पॉटिंग के दौरान तापमानीय घटना ने सेपरेटर को क्षतिग्रस्त कर दिया।

डेटाशीत झूठ

तो क्यों डाटा शीट ने आपको चेतावनी नहीं दी? शायद दी होगी, पर आपको सूक्ष्म छपाई को पढ़ना आना चाहिए। विक्रेता आपको एपॉक्सी बेचना चाहते हैं, इसलिए वे "पीक एक्सोथर्म" को सबसे अनुकूल स्थिति में सूचीबद्ध करते हैं।

परीक्षण पद्धति पर ध्यान से देखें। आमतौर पर, यह ASTM D2240 या समान मानक संदर्भित करता है, और फुटनोट में, यह परीक्षण नमूने का वजन निर्दिष्ट करेगा। यह लगभग हमेशा 100 ग्राम होता है। 100 ग्राम एक कॉफ़ी कप है। यह 55 गैलन ड्रम या गहरे-सैरे उच्च-वोल्टेज हाउसिंग नहीं है। उस संख्या पर भरोसा करना, एक बड़े-वॉल्यूम पोर के लिए, जैसे मान लेना कि एक कैंपआग और एक जंगल की आग का तापीय उत्पादन समान है क्योंकि दोनों लकड़ी जला रहे हैं।

इसके अलावा, विक्रेता अक्सर एक ऐसे कंटेनर में परीक्षण करते हैं जो गर्मी का अच्छा संचालन करता हो, या सामग्री को पतली परत में फैला देते हैं। आपके उत्पाद में, आप प्लास्टिक हाउज़िंग (इन्सुलेटर) में डाल रहे हैं, जो पीसीबी (इन्सुलेटर) के चारों ओर हो सकता है। गर्मी का निकास रास्ता नहीं है। डाटा शीट प्रदर्शन का गारंटी नहीं है; यह एक बेसलाइन माप है, जो "प्रयोगशाला दुनिया" में ली जाती है। आप "उत्पादन दुनिया" में रहते हैं, और यहां स्केलिंग कारक गैर-रेखीय हैं। आप अपने विशिष्ट ज्यामिति का सटीक पीक एक्सोथर्म वाणिज्यिक डेटा के रैखिक अधःपतन से पूर्वानुमान नहीं लगा सकते।

निवारण: रसायन विज्ञान का केंद्रबिंदु

यदि आप खतरनाक ताप स्तर देख रहे हैं, तो आपका पहला चरण रसायन विज्ञान है। आपको ऐसा सामग्री चाहिए जो हीट सिंक का कार्य करे, सिर्फ हीट जेनरेटर नहीं।

यह आमतौर पर "उच्च भराव" प्रणाली की ओर बढ़ने का मतलब होता है। ये एपॉक्सी अलुमिना या सिलिका जैसे गर्मी प्रसारित करने वाले फिलर से भरे होते हैं। ये फिलर दो काम करते हैं: वे ताप को कोर से सतह तक पहुंचाते हैं, और वे प्रतिक्रियाशील रेसिन मात्रा को विस्थापित करते हैं। यदि किसी पॉट में 50% का फिलर व्ययक है, तो इसका मतलब है कि प्रतिकूल प्रतिक्रिया प्रति घन सेंटीमीटर कम हो रही है। ट्रेडऑफ़ है विस्कोसिटी—भरे हुए सामग्री भीगी होने जैसी होती हैं, पर वे आपके पीक तापमान को कम रखेंगी।

आप पूरी तरह से एपॉक्सी छोड़ने पर भी विचार कर सकते हैं। सिलिकॉन और यूरेथेन आमतौर पर बहुत कम ऊष्मा उत्पन्न करते हैं। खासकर, सिलिकॉन तापमान पर बहुत सहनशील होते हैं और लगभग कोई तनाव नहीं डालते क्योंकि वे नरम रहते हैं (लो शोर A हार्डनेस)। हालांकि, सिलिकॉन में स्वैप करने से पहले, याद रखें कि सिलिकॉन तेल हर जगह माइग्रेट करता है और पेंटिंग या कोटिंग प्रक्रियाओं में एक्सटॉरेम फेलियर का कारण बन सकता है। यह गर्मी की समस्या का समाधान करता है, लेकिन एक दूषित करने का खतरा भी पैदा करता है जिसे आपको प्रबंधित करना चाहिए।

निवारण: प्रक्रिया का केंद्रबिंदु

यदि आपको कठोर एपॉक्सी का उपयोग करना है और आपके पास भरने के लिए बड़ा वॉल्यूम है, तो आप प्रतिक्रिया की भौतिकी के खिलाफ नहीं लड़ सकते। आपको डालने की ज्यामिति बदलनी होगी।

सबसे विश्वसनीय (हालांकि महंगा) समाधान “दो-स्तर डालना” है। आप यूनिट को आधा भरते हैं, कम संवेदनशील घटकों या बस आधार को कवर करते हैं। आप उस परत को जमने और ठंडा होने देते हैं। फिर आप दूसरी हीरक डालते हैं। मात्रा को विभाजित करके, आप ऊष्मा की मात्रा को काफी हद तक कम कर देते हैं। दूसरी डाल से गर्मी भी पहली परत में फैल सकती है, जो एक हीट सिंक का कार्य करता है।

उत्पादन प्रबंधकों को यह नापसंद होता है। यह हैंडलिंग समय को दोगुना कर देता है और फर्श पर कार्य-अवधि (WIP) को बढ़ाता है। वे पूछेंगे कि क्या वे सिर्फ क्यूरिंग रैक को फ्रिज में रख सकते हैं ताकि वे ठंडा हो जाएं। यह जोखिम भरा है। यदि आप बाहर को बहुत तेज़ ठंडा करते हैं जबकि अंदर प्रतिक्रिया कर रहा है, तो आप एक तापीय ग्रेडिएंट बनाते हैं जो आंतरिक तनाव और फटने की प्रकिया तक ले जाता है। आप फैन का उपयोग करके हवा चला सकते हैं, लेकिन सक्रिय रेफ्रिजरेशन अक्सर अधिक समस्याएं उत्पन्न करता है बजाय उसके कि वे हल हो जाएं, जिसमें शुष्क सतह पर नमी का संघनन भी शामिल है, जो प्रतिक्रिया को रोक सकता है।

एकमात्र सत्य थर्मोकपल ही है

आप इसे मॉडल कर सकते हैं, आप डेटाशीट पढ़ सकते हैं, और आप विक्रेता प्रतिनिधियों से बहस कर सकते हैं। लेकिन यह जानने का एक ही तरीका है कि आप अपनी बोर्ड को पका रहे हैं या नहीं।

आपको एक यूनिट का बलिदान देना होगा।

एक उत्पादन इरादे की बोर्ड और कवर लें। केस में एक छेद डालें या डालने से पहले एक प्रोब को चुपके से डालें। एपॉक्सी के सबसे बड़े मास के केंद्र में सीधे K-प्रकार का थर्मोकपलEmbed करें, या इसे अपने सबसे संवेदनशील कैपेसिटर के बॉडी से टेप करें। पॉटिंग कॉम्पाउंड डालें और प्रोब को डेटा लॉगर से जोड़ें। बाहर जाएं और इसे जमने दें।

जब आप वापस आएं, तो वक्र देखें। यदि आप 140°C या 160°C पर एक स्पाइक देखते हैं, तो आपका जवाब है। कोई भी सिद्धांतात्मक बहस थर्मोकपल से प्राप्त डेटा को नहीं बदल सकती। वह चार्ट आपका लाइसेंस है प्रक्रिया परिवर्तन, सामग्री स्विच, या पुनः डिज़ाइन की मांग करने के लिए। जब तक आप उस रेखा को ग्राफ पर नहीं देख लेते हैं, आप सिर्फ अनुमान लगा रहे हैं, और भौतिकी आप को गलत साबित करने के लिए इंतजार कर रही है।