Termodinamika Kegagalan: Mengapa Potting Memasak Papan Anda

Anda menghabiskan berbulan-bulan mengoptimalkan integritas sinyal. Anda berjuang untuk setiap decibel dari tingkat kebisingan. Anda memvalidasi manajemen termal FET dengan heatsink dan model aliran udara yang rumit. Kemudian, di ujung garis, Anda menyerahkan papan ke produksi untuk diisi epoxy. Mereka mencampur epoxy dua bagian, menuangkannya ke dalam housing, dan menaruhnya di rak untuk curing.

Di situlah Anda kehilangan unit tersebut.

Ini bukan korsleting listrik atau bug firmware. Ini adalah kegagalan untuk menghormati kekerasan reaksi kimia yang baru saja Anda mulai. Potting tidak hanya “mengering” atau “mengeras.” Ini adalah peristiwa polimerisasi eksotermis. Ketika Anda mencampur Bagian A dan Bagian B, Anda memulai api yang terbakar secara kimiawi daripada secara oksidatif. Jika Anda tidak mengelola api tersebut, suhu internal massa potting bisa dengan mudah melebihi 180°C—memasak kapasitor elektrolitik Anda, melepas resistor, dan memecahkan inti ferrite sebelum unit bahkan meninggalkan lantai pabrik.

Fisika Kimia Marah

Kesalahan mendasar yang dilakukan kebanyakan insinyur adalah mengasumsikan suhu di dalam cangkir potting cocok dengan oven curing atau ruangan. Ini sangat salah. Reaksi antara resin epoxy dan pengerasnya melepaskan energi. Dalam film tipis, seperti lapisan konformal, panas itu langsung menghilang ke udara. Reaksi tetap dingin. Tetapi potting adalah proses massal. Anda menuangkan selimut plastik yang tebal dan insulatif di sekitar sumber panas yang berupa plastik itu sendiri.

Ini menciptakan loop termal yang berjalan liar yang didorong oleh persamaan Arrhenius: untuk sekitar setiap kenaikan 10°C dalam suhu, laju reaksi menjadi dua kali lipat. Saat epoxy bereaksi, ia menghasilkan panas. Panas itu tidak bisa keluar karena epoxy adalah insulator termal alami. Jadi, panas tetap di inti, meningkatkan suhu. Suhu yang lebih tinggi membuat epoxy yang tersisa bereaksi lebih cepat, menghasilkan lebih panas, mendorong reaksi semakin keras. Ini adalah mesin yang mempercepat dirinya sendiri sampai kehabisan bahan bakar atau melelehkan sesuatu.

Anda mungkin berpikir Anda aman karena menggunakan formulasi “Room Temperature Cure”. Jangan tertipu oleh terminologi tersebut. “Room Temperature” hanya berarti Anda tidak memerlukan oven eksternal untuk memulai reaksi; ini tidak berarti bahan tersebut tetap pada suhu kamar. Faktanya, epoksi yang mengeras dalam 5 menit seringkali paling banyak melanggar. Saya pernah melihat seorang teknisi mencampur ember epoxy cepat kering setinggi 5 galon, berniat menuangkannya selama satu jam. Dalam sepuluh menit, ember itu menjadi gunung berapi yang mengeluarkan asap, melelehkan lapisan plastiknya sendiri dan menyatu dengan lantai beton. Fisika efek massa tidak bernegosiasi.

Jangan bingung ini dengan kesalahan pencampuran. Ya, jika Anda mencampur rasio dengan salah, Anda akan mendapatkan adonan lembek, kenyal yang tidak pernah mengeras. Itu kegagalan, tapi itu adalah kegagalan yang “aman”. Situasi yang jauh lebih berbahaya adalah saat Anda mencampurnya dengan sempurna, tetapi meremehkan massa. Cangkir 100 gram mungkin mencapai suhu puncak yang dapat dikelola yaitu 60°C. Material yang sama, dituangkan ke dalam reservoir 2-liter untuk catu daya tegangan tinggi, memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang jauh lebih rendah. Ia tidak bisa membuang panasnya. Suhu inti melonjak, dan tiba-tiba Anda memiliki sebuah bejana reaktor di atas meja kerja Anda.

Pembunuh Diam: Bagaimana Komponen Mati

Ketika puncak eksoterm meningkat, kerusakan jarang terlihat dari luar. Permukaan potting mungkin tampak bersih, mungkin sedikit hangat saat disentuh. Tapi jauh di dalam, di mana panas tidak punya tempat pergi, lingkungan menjadi tidak bersahabat.

Ambil rangkaian surface-mount standar. Anda memiliki kapasitor 0402 yang disolder ke FR4. Saat eksoterm epoxy mencapai puncaknya—misalnya 160°C—papan menjadi panas, tetapi solder tetap menahan. Namun, saat reaksi selesai, epoxy mengeras menjadi benda keras yang kaku. Sekarang seluruh massa mulai menyejukkan diri ke suhu kamar. Sekarang Anda berhadapan dengan pembunuh kedua: ketidaksesuaian Koefisien Perluasan Termal (CTE). Epoxy menyusut saat mendingin. PCB menyusut dengan kecepatan yang berbeda. Kapasitor keramik tidak menyusut banyak sama sekali. Hasilnya adalah gaya geser besar yang langsung diterapkan ke sambungan solder. Saya pernah melihat kapasitor sobek dari padnya, atau lebih buruk lagi, retak secara internal sehingga mereka melewati tes kontinuitas hari ini tetapi gagal terbuka setelah sebulan getaran di lapangan.

Komponen magnetik bahkan lebih rentan. Inti ferit adalah keramika rapuh yang bergantung pada struktur kristal tertentu untuk mempertahankan induktansi. Ketika Anda membungkus transformer dengan epoxy keras yang tidak diisi dan membiarkannya eksoterm, Anda secara efektif memberinya kejutan termal diikuti oleh alat tekanan mekanis yang menghancurkan. Jika Anda berada di dalam ruang produksi yang tenang setelah sekelompok catu daya dipot, Anda terkadang bisa mendengar suara kecil tink tink suara retakan inti ferit di dalam resin pendingin. Anda tidak akan melihatnya, tetapi nilai induktansi Anda akan menyimpang dari spesifikasi, dan efisiensi catu daya Anda akan menurun.

Baterai adalah permainan dengan taruhan tertinggi di sini. Jika Anda mempot 18650 untuk paket prototipe, Anda bermain dengan api—secara harfiah. Epoksi struktur standar bisa dengan mudah mencapai suhu yang mencairkan lapisan PVC yang menyusut di atas sel (biasanya dirating di sekitar ~80°C sampai 100°C). Setelah isolasi itu mencair, sel-sel tersebut berserit satu sama lain atau dengan casing. Saya pernah melihat paket yang tidak meledak tetapi secara efektif mati saat kedatangan karena peristiwa termal selama proses potting merusak separator.

Kebohongan Datasheet

Lalu mengapa lembar data tidak memperingatkan Anda? Mungkin sudah, tetapi Anda harus tahu cara membaca tulisan kecilnya. Vendor ingin menjual epoxy kepada Anda, jadi mereka mencantumkan “Puncak Eksoterm” dalam kondisi yang paling menguntungkan.

Perhatikan dengan seksama metode uji. Biasanya, mengacu pada ASTM D2240 atau standar serupa, dan di catatan kaki, akan disebutkan massa sampel uji. Hampir selalu 100 gram. 100 gram adalah cangkir kopi. Ini bukan drum 55 galon atau rumah tegangan tinggi bagian dalam. Mengandalkan angka itu untuk menuangkan volume besar seperti itu seperti menganggap bahwa api unggun dan kebakaran hutan memiliki keluaran panas yang sama karena keduanya membakar kayu.

Selain itu, vendor sering menguji dalam wadah yang menghantarkan panas dengan baik, atau menyebarkan bahan dalam lapisan tipis. Dalam produk Anda, Anda mungkin menuangkan ke dalam casing plastik (isolator) di sekitar PCB (isolator). Panas tidak memiliki jalur pelolosan. Lembar data bukan jaminan kinerja; itu adalah pengukuran dasar yang diambil di “Dunia Lab.” Anda hidup di “Dunia Produksi,” dan faktor pengalinya di sini tidak linier. Anda tidak dapat memprediksi puncak eksoterm tertentu dari geometri spesifik Anda menggunakan ekstrapolasi linier dari data vendor.

Mitigasi: Pivot Kimia

Jika Anda melihat tingkat panas yang berbahaya, pengendali pertama Anda adalah kimia. Anda memerlukan bahan yang berfungsi sebagai heat sink daripada sekadar generator panas.

Ini biasanya berarti beralih ke sistem “yang sangat diisi”. Epoxy ini dipenuhi dengan bahan pengisi konduktif termal seperti alumina atau silikon dioksida. Pengisi ini melakukan dua hal: mereka menghantarkan panas keluar dari inti ke permukaan, dan mereka menggantikan volume resin reaktif. Jika sebuah pot diisi filler sebesar 50% berdasarkan berat, itu berarti 50% reaksi kimia yang terjadi per sentimeter kubik. Perdagangan ini adalah viskositas—bahan yang diisi seperti menuang madu dingin—tapi mereka akan menjaga suhu puncak Anda tetap rendah.

Anda mungkin juga mempertimbangkan untuk meninggalkan epoksi sepenuhnya. Silikon dan urethan umumnya memiliki eksoterm yang jauh lebih rendah. Silikon, khususnya, sangat toleran terhadap suhu pengerasan dan hampir tidak memberi tekanan pada komponen karena tetap lembut (Kekerasan Shore A Rendah). Namun, sebelum beralih ke silikon, ingat bahwa minyak silikon bermigrasi ke mana-mana dan dapat menyebabkan kegagalan daya cengkeram dalam proses pengecatan atau pelapisan di hilir. Ini memecahkan masalah panas tetapi memperkenalkan risiko kontaminasi yang harus Anda kelola.

Mitigasi: Pivot Proses

Jika Anda harus menggunakan epoksi yang kaku dan memiliki volume besar yang harus diisi, Anda tidak dapat melawan fisika dari reaksi tersebut. Anda harus mengubah geometri penuangan.

Perbaikan paling andal (meskipun mahal) adalah “Penuangan Dua Tahap.” Anda mengisi unit setengah jalan, menutupi komponen yang kurang sensitif atau hanya dasar. Anda membiarkan lapisan tersebut mengeras dan mendingin. Kemudian Anda menuang setengah kedua. Dengan memisahkan massa, Anda secara signifikan mengurangi lonjakan eksoterm. Panas dari penuangan kedua juga dapat berdissipasi ke lapisan pertama, yang berfungsi sebagai pendingin panas.

Manajer produksi membenci ini. Ini menggandakan waktu penanganan dan meningkatkan pekerjaan dalam proses (WIP) di lantai. Mereka akan bertanya apakah mereka bisa meletakkan rak pengerasan di lemari es untuk mendinginkan. Ini berisiko. Jika Anda mendinginkan bagian luar terlalu cepat sementara bagian dalam bereaksi, Anda menciptakan gradien panas yang menyebabkan tegangan internal besar dan crack. Anda dapat menggunakan kipas untuk menggerakkan udara, tetapi pendinginan aktif sering menyebabkan lebih banyak masalah daripada solusinya, termasuk kondensasi kelembapan pada permukaan yang belum keras yang dapat menghambat reaksi.

Satu-Satunya Kebenaran adalah Termokopel

Anda bisa memodelkannya, Anda bisa membaca lembar data, dan Anda bisa berargumen dengan perwakilan penjual. Tapi hanya satu cara untuk tahu apakah Anda sedang memasak papan sirkuit Anda.

Anda harus mengorbankan satu unit.

Ambil papan dan casing berorientasi produksi. Bor lubang di casing atau sembunyikan probe sebelum menuang. Tanamkan termokopel tipe K langsung ke pusat massa terbesar dari epoksi, atau lem ke badan kapasitor yang paling sensitif. Tuang bahan penutup dan sambungkan probe ke data logger. Menjauh dan biarkan mengeras.

Ketika Anda kembali, lihat kurvanya. Jika Anda melihat lonjakan mencapai 140°C atau 160°C, Anda punya jawabannya. Tidak peduli seberapa besar perdebatan teoretis, data dari termokopel adalah otoritasnya. Grafik itu adalah izin Anda untuk menuntut perubahan proses, perpindahan material, atau redesain. Sampai garis itu muncul di grafik, Anda hanya menebak, dan fisika sedang menunggu untuk membuktikan Anda salah.