Arus Tak Terlihat: Mengapa Flux "Tanpa Bersih" Membunuh Umur Baterai Anda

Matematika Kekecewaan

Spreadsheet menjanjikan sepuluh tahun. Presentasi pemasaran menjanjikan sepuluh tahun. Unit uji validasi rekayasa, yang berada di laboratorium ber-AC, masih berfungsi dengan sempurna. Namun, di lapangan—mungkin di ruang utilitas yang lembap di Florida atau jaringan sensor pertanian di Mid-Atlantic—unit-unit tersebut mati dalam enam bulan. Baterainya habis.

Ketika ini terjadi, naluri adalah menyalahkan sumber energi. Anda menarik log, memeriksa pesanan pembelian, dan meyakinkan diri sendiri bahwa distributor mengirimkan batch CR2032 yang buruk. Anda menganggap tingkat self-discharge telah dibohongi, atau kurva derating suhu terlalu optimis.

Hampir tidak pernah baterai yang bermasalah. Sel primer lithium modern dari vendor Tier 1 adalah mesin kimia yang sangat konsisten. Jika baterai kosong, itu bukan karena energi bocor ke udara; energi itu disalurkan ke beban. Masalahnya adalah beban itu bukan mikrokontroler atau radio Anda. Bebannya adalah papan sirkuit itu sendiri.

Kebohongan Flux “No-Clean”

Pelakunya biasanya adalah kesalahpahaman tentang istilah “No-Clean.” Dalam dunia elektronik digital kecepatan tinggi—seperti Raspberry Pi atau motherboard laptop—flux “No-Clean” adalah bahan standar yang aman. Ia meninggalkan residu yang secara kimia cukup jinak sehingga tidak menyebabkan korsleting pada jalur daya 3,3V yang membawa arus ampere. Impedansi residu itu mungkin dalam megaohm, yang bagi catu daya CPU, secara efektif adalah sirkuit terbuka.

Tapi Anda tidak sedang membuat laptop. Anda sedang membuat perangkat ultra-rendah daya (ULP) di mana anggaran tidur diukur dalam nanoampere. Dalam domain ini, “No-Clean” adalah rekayasa pemasaran. Residu flux yang tertinggal dari proses reflow terbuat dari aktivator ionik—asam yang dirancang untuk mengikis oksida pada bantalan tembaga agar sambungan solder bagus. Ketika papan keluar dari oven, residu itu mengeras secara efektif. Tapi itu bukan inert. Itu higroskopis. Ia menarik kelembapan dari udara.

Saat kelembapan naik, kerak jinak itu berubah menjadi elektrolit konduktif. Kita tidak berbicara tentang korsleting mati. Kita berbicara tentang korsleting “lunak”: resistansi parasit sekitar 10 hingga 50 megaohm. Dalam perangkat yang menggunakan listrik utama, ini adalah gangguan. Dalam perangkat yang mencoba tidur pada 500nA, resistansi paralel 20 megaohm di terminal baterai atau saklar daya adalah bencana. Ini menarik tambahan 150nA terus-menerus, 24 jam sehari, terlepas dari status firmware. Kebocoran tak terlihat itulah yang mencuri sembilan setengah tahun masa pakai baterai Anda.

Ada kecenderungan berbahaya untuk mencoba menambal ini dengan pelapis konformal. Logikanya tampak masuk akal: jika kelembapan adalah pemicu, segel papan. Tapi menyemprotkan urethane atau akrilik di atas papan yang belum dicuci secara agresif bukan solusi—itu adalah kuburan. Anda hanya menjebak kontaminan ionik dan kelembapan sekitar di bawah pelapis. Korosi akan terus berlanjut, sekarang terlindungi dari upaya pembersihan Anda, dan dendrit akan tumbuh dengan bahagia di rumah kaca pribadi mereka.

Jembatan Tak Terlihat: Kelembapan dan Dendrit

Mekanisme kegagalan jarang statis. Ia bernafas dengan lingkungan. Inilah sebabnya Anda tidak dapat mereproduksinya di meja kerja Anda di kantor ber-AC. Konduktivitas residu flux bersifat non-linear dan kacau; ia melonjak saat kelembapan relatif melewati ambang batas, sering sekitar 60-70%.

Pertimbangkan kasus umum dari penerapan pengukuran pintar. Unit yang dipasang di ruang server dengan kontrol iklim bertahan selamanya. Unit identik yang dipasang di kotak luar ruangan gagal secara berkelompok selama musim hujan. Di bawah mikroskop, Anda kadang-kadang dapat melihat bukti fisiknya: pertumbuhan dendritik. Ini adalah kristal logam seperti pakis yang tumbuh dari katoda menuju anoda, didorong oleh ion logam yang terlarut dalam residu fluks. Mereka tidak perlu menjembatani celah sepenuhnya untuk merusak Anda. Mereka hanya perlu mengurangi resistansi isolasi cukup untuk menguras baterai.

Migrasi ini didorong oleh medan listrik. Semakin rapat tata letak Anda—komponen 0402, BGA dengan pitch 0,5mm—semakin tinggi kekuatan medan antara pin, dan semakin cepat migrasi terjadi. Residu tidak perlu terlihat dengan mata telanjang untuk menjadi fatal. Lapisan monolayer kontaminasi ionik sudah cukup untuk menjembatani dua pad pada mikrokontroler, membangunkannya dari tidur dalam atau sekadar mengalirkan arus dari VCC ke Ground.

Multimeter Anda Berbohong Kepada Anda

Sebagian alasan mode kegagalan ini bertahan adalah karena alat rekayasa standar tidak dapat mendeteksinya. Anda tidak dapat mendiagnosis kebocoran 50nA dengan Fluke 87V. Multimeter genggam standar memiliki tegangan beban—penurunan tegangan internal—yang mengganggu sirkuit yang Anda coba ukur. Lebih buruk lagi, mereka merata-ratakan arus. Mereka tidak dapat melihat sifat dinamis dari kebocoran yang mungkin berdenyut atau mengambang.

Jika Anda sedang men-debug masa pakai baterai ULP, Anda harus menggunakan Source Measure Unit (SMU) seperti Keithley 2450, atau setidaknya alat khusus seperti Joulescope. Anda perlu melihat batas bawah. Anda perlu memverifikasi bahwa ketika firmware Anda mengatakan “tidur,” arus benar-benar datar. Seringkali, dengan instrumen yang tepat, Anda akan melihat “merayap”—arus yang perlahan naik selama beberapa menit saat papan menghangat atau saat residu bereaksi dengan lingkungan. Jika Anda mengandalkan pembacaan multimeter standar “0,00 uA,” Anda sedang terbang dalam kegelapan.

Mandat Manufaktur

Anda tidak akan menemukan solusi dalam firmware atau baterai yang lebih besar. Anda menemukannya di rumah perakitan. Kebersihan harus diperlakukan sebagai spesifikasi desain, bukan detail manufaktur.

Jika Anda membangun untuk masa pakai 10 tahun pada sel koin, Anda tidak dapat menggunakan proses “No-Clean” standar. Anda harus mewajibkan pencucian. Dan bukan hanya celupan dalam ember IPA—itu hanya menyebarkan minyak. Anda memerlukan pencucian berair in-line dengan saponifier, diikuti dengan bilasan air DI, dan pemanggangan untuk menghilangkan kelembapan.

Ini akan menjadi pertarungan. Produsen Kontrak (CM) membenci jalur pencucian. Mereka mahal, memerlukan perawatan, dan memperlambat jalur produksi. Mereka akan menunjukkan lembar data dari vendor fluks yang mengklaim memenuhi IPC-J-STD-001. Anda harus mengabaikan ini. Standar tersebut untuk elektronik umum, bukan untuk perangkat yang hidup di tepi fisika.

Anda harus menuntut pengujian Kromatografi Ion. Anda memerlukan bukti bahwa papan secara kimia bersih, bukan hanya bersih secara visual. Jika CM menolak, atau mencoba menjual Anda fluks No-Clean yang “lebih baik,” tinggalkan saja. Biaya proses pencucian yang tepat hanya beberapa sen per papan. Biaya penggantian unit mati di lapangan bisa ratusan dolar. Hitunglah, lalu paksa pencucian dilakukan.