De Onzichtbare Stroom: Waarom “No-Clean” Flux Je Batterijduur Doodt

De wiskunde van teleurstelling

De spreadsheet beloofde tien jaar. De marketingpresentatie beloofde tien jaar. De engineering validatietestunits, die in een airconditioned laboratorium staan, werken nog steeds perfect. Toch gaan de units in het veld—misschien in een vochtige nutsruimte in Florida of een landbouwsensorennetwerk in de mid-Atlantische regio—binnen zes maanden kapot. De batterijen zijn leeg.

Als dit gebeurt, is de neiging om de energiebron de schuld te geven. Je haalt de logs op, controleert de inkooporders en overtuigt jezelf ervan dat de distributeur je een slechte batch CR2032's heeft gestuurd. Je gaat ervan uit dat het zelfontladingspercentage niet klopt, of dat de temperatuurdempingscurve te optimistisch was.

Het is bijna nooit de batterij. Moderne lithium primaire cellen van Tier 1-leveranciers zijn opmerkelijk consistente chemische motoren. Als ze leeg zijn, hebben ze de energie niet in het niets gelekt; ze hebben die geleverd aan een belasting. Het probleem is dat die belasting niet je microcontroller of je radio is. Het is het circuitbord zelf.

De leugen van “No-Clean” flux

De boosdoener is meestal een misverstand over de term “No-Clean.” In de wereld van high-speed digitale elektronica—denk aan Raspberry Pi's of laptopmoederborden—is “No-Clean” flux een standaard, veilig materiaal. Het laat een residu achter dat chemisch onschadelijk genoeg is om een 3,3V voedingsrail met ampères stroom niet kort te sluiten. De impedantie van dat residu kan in de megaohms liggen, wat voor een CPU-voeding effectief een open circuit is.

Maar je bouwt geen laptop. Je bouwt een ultra-low power (ULP) apparaat waarbij het slaapbudget in nanoampères wordt gemeten. In dit domein is “No-Clean” een marketingverzinsel. Het fluxresidu dat achterblijft na het reflowproces bestaat uit ionische activatoren—zuren die zijn ontworpen om oxiden op de koperen pads op te lossen om een goede soldeerverbinding te garanderen. Wanneer het bord uit de oven komt, hardt dat residu effectief uit. Maar het is niet inert. Het is hygroscopisch. Het trekt vocht uit de lucht aan.

Naarmate de luchtvochtigheid stijgt, verandert die onschadelijke korst in een geleidende elektrolyt. We hebben het niet over een dode kortsluiting. We hebben het over een “zachte” kortsluiting: een parasitaire weerstand van ongeveer 10 tot 50 megaohm. In een apparaat dat op netstroom werkt, is dit ruis. In een apparaat dat probeert te slapen op 500nA, is een parallelle weerstand van 20 megaohm over je batterijterminals of stroomschakelaar een ramp. Het trekt continu een extra 150nA, 24 uur per dag, ongeacht de firmwarestatus. Die onzichtbare lekstroom steelt je negen en een half jaar batterijduur.

Er is een gevaarlijke neiging om dit te proberen te verhelpen met conformale coating. De logica lijkt logisch: als vocht de trigger is, sluit het bord dan af. Maar het bespuiten met urethaan of acryl over een bord dat niet grondig is gewassen, is geen oplossing—het is een graf. Je sluit simpelweg de ionische verontreinigingen en het omgevingsvocht onder de coating op. De corrosie zal doorgaan, nu beschermd tegen je pogingen om het schoon te maken, en de dendrieten zullen vrolijk groeien in hun eigen kas.

De onzichtbare brug: vochtigheid en dendrieten

Het faalmechanisme is zelden statisch. Het ademt mee met de omgeving. Daarom kun je het niet reproduceren op je werkbank in een airconditioned kantoor. De geleidbaarheid van fluxresidu is niet-lineair en chaotisch; het piekt wanneer de relatieve luchtvochtigheid een drempel overschrijdt, vaak rond 60-70%.

Beschouw een algemeen geval van een slimme meetopstelling. Eenheden die zijn geïnstalleerd in klimaatgereguleerde serverruimtes gaan eeuwig mee. Identieke eenheden die in buitenbehuizingen zijn geïnstalleerd, falen in clusters tijdens het regenseizoen. Onder een microscoop kun je soms het fysieke bewijs zien: dendritische groei. Dit zijn varenachtige metalen kristallen die van de kathode naar de anode groeien, gevoed door de opgeloste metaalionen in het fluxresidu. Ze hoeven de kloof niet volledig te overbruggen om je te ruïneren. Ze hoeven alleen de isolatieweerstand genoeg te verlagen om de batterij leeg te laten lopen.

Deze migratie wordt aangedreven door het elektrische veld. Hoe strakker je lay-out—0402-componenten, 0,5 mm pitch BGA's—hoe hoger de veldsterkte tussen de pinnen, en hoe sneller de migratie plaatsvindt. Het residu hoeft niet met het blote oog zichtbaar te zijn om fataal te zijn. Een monolaag van ionische verontreiniging is genoeg om twee pads op een microcontroller te overbruggen, waardoor deze uit diepe slaap wordt gewekt of simpelweg stroom van VCC naar aarde lekt.

Je multimeter liegt tegen je

Een deel van de reden dat deze faalmodus blijft bestaan, is dat standaard engineeringtools er blind voor zijn. Je kunt een lek van 50nA niet diagnosticeren met een Fluke 87V. Standaard handmultimeters hebben een lastspanning—een interne spanningsval—die het circuit dat je probeert te meten verstoort. Erger nog, ze middelen de stroom. Ze kunnen de dynamische aard van een lek dat pulserend of drijvend kan zijn niet zien.

Als je de ULP-batterijduur debugt, moet je een Source Measure Unit (SMU) gebruiken zoals een Keithley 2450, of op zijn minst een gespecialiseerd instrument zoals een Joulescope. Je moet de ondergrens kunnen zien. Je moet verifiëren dat wanneer je firmware “slaap” zegt, de stroom daadwerkelijk vlak is. Vaak zie je met een goed instrument de “kruip”—de stroom die langzaam stijgt over minuten terwijl de printplaat opwarmt of het residu reageert op de omgeving. Als je vertrouwt op een standaard multimeteraflezing van “0,00 uA,” vlieg je blind.

Het fabricagemandaat

Je vindt de oplossing niet in firmware of een grotere batterij. Je vindt het in het assemblagehuis. Netheid moet worden behandeld als een ontwerpspecificatie, niet als een fabricagedetail.

Als je bouwt voor een levensduur van 10 jaar op een knoopcel, kun je geen standaard “No-Clean” proces gebruiken. Je moet een wasbeurt verplichten. En niet zomaar een dompelbad in IPA—dat verspreidt het vet alleen maar. Je hebt een inline waterige wasbeurt nodig met saponifiers, gevolgd door een DI-water spoeling en een bakproces om het vocht te verwijderen.

Dit wordt een strijd. Contractfabrikanten (CM's) haten waslijnen. Ze zijn duur, vereisen onderhoud en vertragen de lijn. Ze zullen je datasheets van de fluxleverancier laten zien waarin staat dat het voldoet aan IPC-J-STD-001. Je moet dit negeren. Die normen zijn voor algemene elektronica, niet voor apparaten die op de grens van de fysica leven.

Je moet Ion Chromatografie testen eisen. Je hebt bewijs nodig dat de printplaat chemisch schoon is, niet alleen visueel schoon. Als de CM weigert of probeert je een “betere” No-Clean flux te verkopen, loop dan weg. De kosten van een goed wasproces zijn slechts enkele centen per printplaat. De kosten van een servicebezoek om een defecte eenheid in het veld te vervangen zijn honderden dollars. Doe de rekensom en dwing de wasbeurt af.