고장 열역학: 보드를 태우는 포팅의 이유

여러 달을 신호 무결성 최적화에 쓰고, 잡음 바닥의 데시벨을 위해 싸우며, 정교한 방열판과 공기 흐름 모델로 FET의 열 관리를 검증합니다. 그리고 마지막에, 여러분은 보드를 제작에 넘겨 포팅을 맡깁니다. 그들은 이소프로필 아크릴레이트 두 개를 섞어 하우징에 부어, 건조대에 놓아 경화시킵니다.

바로 그 지점에서 유닛을 잃게 됩니다.

이는 전기적 단락이나 펌웨어 버그가 아니었습니다. 바로 여러분이 시작한 화학 반응의 폭력을 존중하지 않은 실패였습니다. 포팅은 단순한 '건조' 또는 '경화'가 아닙니다. 이것은 발열성 고분자화 사건입니다. 파트 A와 파트 B를 섞을 때 화학적으로 타는 불이 시작되어 산화하는 것이 아니라 연소됩니다. 그 불을 관리하지 않으면, 포팅 물질의 내부 온도는 쉽게 180°C를 초과할 수 있는데, 이는 전해 커패시터를 요리하고, 저항을 납땜 해제하며, 페라이트 코어를 깨뜨리기 전에 팩토리 라인을 떠나기 전에 발생합니다.

분노한 화학의 물리학

대부분의 엔지니어가 범하는 근본적인 실수는 포팅 컵 내부의 온도가 경화 오븐이나 방 온도와 일치한다고 가정하는 것입니다. 이는 매우 위험한 잘못입니다. 에폭시 수지와 경화제 사이의 반응은 에너지를 방출합니다. 컨포멀 코팅과 같은 얇은 필름에서는 이 열이 즉시 공기 중으로 전달됩니다. 반응은 차갑게 유지됩니다. 그러나 포팅은 벌크 공정입니다. 여러분은 열원 주변에 두껍고 절연되는 플라스틱 담요를 붓고 있으며, 그 열원은 바로 플라스틱입니다.

이것은 아레니우스 방정식이 구동하는 자가 가속하는 열 순환을 만듭니다: 대략 온도가 10°C 상승할 때마다, 반응 속도는 두 배가 됩니다. 에폭시가 반응하면서 열을 생성하는데, 이 열은 에폭시가 자연 절연체이기 때문에 빠져나갈 수 없습니다. 그래서 열은 내부에 남아 온도를 상승시키고, 높은 온도는 남은 에폭시가 더 빠르게 반응하게 만들어, 반응을 더 강하게 만듭니다. 더, 열을 발생시켜 반응을 더욱 강하게 몰아붙입니다. 이것은 연료가 다 소모되거나 무언가를 녹일 때까지 자신을 가속하는 엔진입니다.

당신은 ‘상온 경화’ 조성을 사용하고 있기 때문에 안전하다고 생각할지도 모릅니다. 용어가 오해를 불러일으키지 않도록 하세요. ‘상온’은 단지 외부 오븐이 필요하지 않다는 의미일 뿐, 재료가 상온에 머무른다는 의미는 아닙니다. 실제로 빠른 경화 ‘5분’ 에폭시가 가장 폭력적인 범인인 경우가 많습니다. 나는 한 기술자가 5갤런의 빠른 경화 에폭시를 섞어 한 시간 동안 떠 넘기려고 했던 것을 본 적이 있는데, 열 분 만에 그 양동이는 연기 나는 화산처럼 변했고, 플라스틱 라이너를 녹여 콘크리트 바닥에 붙었습니다. 질량 효과의 물리학은 협상하지 않습니다.

이것을 혼합 실수와 혼동하지 마십시오. 네, 비율이 잘못 섞이면 굳지 않는 연하고 부드러운 엉망이 됩니다. 그건 실패이지만 ‘안전한’ 실패입니다. 훨씬 더 위험한 시나리오는 잘 섞었을 때입니다. 완벽하게, 그러나 무게를 과소평가합니다. 100그램 컵은 관리 가능한 60°C에 정점에 달할 수 있습니다. 같은 재료를 2리터 저장 용기에 부으면 고전압 전원 공급 장치를 위해 표면적-부피 비율이 훨씬 낮아집니다. 열을 방출할 수 없습니다. 핵심 온도가 급증하며 갑자기 작업대 위에 반응기 용기가 놓이게 됩니다.

침묵하는 살인자: 구성요소는 어떻게 사망하는가

방열이 급증할 때 표면에서는 손상이 거의 보이지 않습니다. 포팅의 표면은 깨끗하게 보일 수 있으며, 손으로 만졌을 때 약간 따뜻한 정도입니다. 그러나 그 깊은 곳에서는, 열이 빠져나갈 곳이 없기 때문에 환경이 적대적이게 변합니다.

표준 표면 실장 조립을 예로 들어보겠습니다. FR4에 0402 커패시터가 납땜되어 있습니다. 에폭시 방열이 정점—예를 들어 160°C—에 도달하면 보드는 뜨겁지만 납땜은 유지됩니다. 그러나 반응이 끝나면 에폭시가 단단한 고체로 굳습니다. 이제 전체 질량이 실내 온도로 냉각되기 시작합니다. 그 다음 두 번째 치명적인 문제에 직면하게 됩니다: 열팽창 계수(CTE) 불일치입니다. 에폭시는 냉각되면서 수축하고, PCB는 다른 속도로 수축하며, 세라믹 커패시터는 거의 수축하지 않습니다. 그 결과, 납땜 조인트에 직접 강한 전단력이 가해집니다. 나는 커패시터가 패드에서 찢어지거나 내부가 금이 가서 오늘은 연속성 테스트를 통과하지만, 한 달간 현장에서 진동 후에 열림 실패하는 것을 본 적이 있습니다.

자기 부품은 훨씬 더 취약합니다. 페라이트 코어는 인덕턴스를 유지하기 위해 특정 결정 구조에 의존하는 깨지기 쉬운 세라믹입니다. 변압기를 딱딱하고 충진되지 않은 에폭시로 감싸고 방열하면, 본질적으로 열 충격과 압축하는 기계식 악어집과 같은 압력을 받게 됩니다. 전원 공급 장치가 일괄 처리 후 조용한 생산 구역에 서 있다면, 희미한 ‘딸랑딸랑’ 소리를 들을 수도 있습니다. 딸랑딸랑 세라믹 코어가 냉각수지 내에서 깨지는 소리입니다. 눈에 보이지 않지만 인덕턴스 값이 규격에서 벗어나고 전원 공급 장치 효율이 떨어질 것입니다.

배터리는 가장 위험한 게임입니다. 프로토타입 팩에 18650 셀을 포팅하는 경우, 정말 ‘불장난’과 같습니다. 표준 구조용 에폭시는 보통 ~80°C에서 100°C 정도인 셀의 PVC 수축 랩을 녹일 온도에 쉽게 도달할 수 있습니다. 그 절연체가 녹으면 셀들은 서로 또는 케이스와 단락됩니다. 폭발하지는 않았지만, 포팅 과정의 열 이벤트로 인해 세퍼레이터가 손상되어 사실상 바로 사용할 수 없게 된 팩들도 본 적이 있습니다.

데이터시트 거짓말

그래서 왜 데이터 시트가 경고하지 않았을까요? 아마 그랬겠지만, 세부사항을 읽는 방법을 알아야 합니다. 공급업체는 에폭시를 판매하고 싶어하기 때문에, ‘정점 방열’ 수치를 가능한 가장 유리한 조건으로 기재합니다.

테스트 방법을 자세히 살펴보세요. 보통 ASTM D2240 또는 유사 표준을 인용하며, 각주 어디엔가 시험 샘플의 질량을 명시합니다. 거의 항상 100그램입니다. 100그램은 커피잔입니다. 55갤런 드럼이나 고전압 하우징이 아닙니다. 그 숫자를 큰 부피에 의존하는 것은 모닥불과 산불이 모두 목재를 태우기 때문에 동일한 열 출력이라고 가정하는 것과 같습니다.

더욱이, 공급업체들은 열을 잘 전달하는 용기에 시험하거나 재료를 얇은 층으로 펼쳐서 테스트하는 경우가 많습니다. 귀하의 제품에서는 플라스틱 하우징(절연체)에 부어 넣거나, PCB(절연체) 주변에 넣는 경우가 있을 수 있습니다. 열이 빠져나갈 길이 없습니다. 데이터 시트는 성능을 보장하는 것이 아니라, ‘랩 월드’에서 측정된 기준선입니다. 귀하는 ‘생산 월드’에 살고 있으며, 여기서 스케일링 인자는 비선형적입니다. 공급업체의 데이터를 직선적 외삽으로 귀하의 특정 형상에서 정확한 정점 방열을 예측할 수 없습니다.

완화: 화학 회전

위험한 열 수준이 보인다면, 당신의 첫 번째 레버는 화학입니다. 단순히 열을 발생시키는 것이 아니라 열 싱크 역할을 하는 재료가 필요합니다.

이것은 보통 “고도로 충전된” 시스템으로 이동하는 것을 의미합니다. 이러한 에폭시는 알루미나나 실리카와 같은 열전도성 충전제로 가득 차 있습니다. 충전제는 두 가지 역할을 합니다: 열을 핵심에서 표면으로 전달하고, 반응성 수지의 부피를 대체합니다. 만약 냄비에 50% 무게 비율로 충전제가 들어 있다면, 이는 입방 센티미터당 50%만큼의 화학 반응이 적다는 의미입니다. 단점은 점도인데—충전된 재료는 차가운 꿀을 따르는 것처럼 되지만—이들은 최고 온도를 낮게 유지하는 데 도움이 됩니다.

에폭시를 완전히 남겨두는 것도 고려해보세요. 실리콘과 우레탄은 일반적으로 더 낮은 발열량을 가지고 있습니다. 특히 실리콘은 경화 온도에 매우 여유로우며, 부드러움을 유지하기 때문에(낮은 Shore A 경도) 부품에 거의 스트레스를 주지 않습니다. 그러나 실리콘으로 전환하기 전에, 실리콘 오일은 어디든 퍼질 수 있어 도장이나 코팅 공정 후속 단계에서 접착 실패를 일으킬 수 있다는 점을 기억하세요. 이는 열 문제를 해결하지만, 관리해야 하는 오염 위험을 도입합니다.

완화: 프로세스 회전

단단한 에폭시를 사용해야 하고 채워야 할 부피가 크다면, 반응의 물리학과 싸울 수 없습니다. 붓기 형상을 변경해야 합니다.

가장 신뢰할 수 있는(비록 비용이 많이 들더라도) 해결책은 ‘이단계 부어넣기(Two-Stage Pour)’입니다. 유닛을 반쯤 채우며, 덜 민감한 부품들이나 기초 부분만 덮습니다. 그 층이 젤러지고 냉각되기를 기다립니다. 그런 다음 두 번째 반을 부어요. 이렇게 하여 질량을 나누면, 발열 스파이크를 크게 줄일 수 있습니다. 두 번째 부어넣기에서 발생하는 열은 첫 번째 층으로 방출되어 열 싱크 역할도 합니다.

생산 담당자들은 이것을 싫어합니다. 처리 시간이 두 배로 늘어나고 작업 진행 상태(WIP)가 증가하기 때문입니다. 그들은 단순히 경화 랙을 냉장고에 넣어 식히는 것이 가능한지 물을 것입니다. 이는 위험합니다. 내부가 반응하는 동안 너무 빠르게 외부를 냉각시키면 열경사가 생겨 내부 응력과 균열이 발생할 수 있습니다. 팬을 사용해 공기를 이동시킬 수도 있지만, 능동 냉각은 종종 문제를 더 일으키기도 합니다. 특히 수분 응축이 반응을 방해할 수 있기 때문입니다.

유일한 진실은 열전대다

이것을 모델링하거나, 데이터시트를 읽거나, 공급업체 담당자와 논의할 수 있습니다. 그러나 가장 확실한 방법은 보드를 굽는지 아는 유일한 방법입니다.

하나의 유닛을 희생해야 합니다.

생산용 보드와 하우징을 가져오세요. 케이스에 구멍을 뚫거나 붓기 전에 프로브를 넣어보세요. K형 열전대를 에폭시의 가장 큰 덩어리 가운데에 직접 넣거나, 가장 민감한 커패시터에 테이프로 붙이세요. 포팅 화합물을 부은 후, 프로브를 데이터 로거에 연결하세요. 그리고 떠나서 경화를 기다리세요.

돌아와서 곡선을 살펴보세요. 만약 140°C 또는 160°C에 도달하는 스파이크를 보면, 답이 있습니다. 이론적 논쟁이 아무리 크다고 해도, 열전대의 데이터를 대체할 수 없습니다. 그 차트는 당신에게 프로세스 변경, 재료 교체 또는 재설계를 요구할 권한이 됩니다. 그 선이 그래프에 나타나기 전까지는, 당신은 그저 추측하는 것에 불과하며, 물리학은 당신이 틀렸음을 증명하려 기다리고 있습니다.