De thermodynamica van storingen: waarom potting uw pc's kookt

Je brengt maanden door met het optimaliseren van signaalintegriteit. Je vecht voor elke decibel van het ruisniveau. Je bevestigt het thermisch beheer van de FET's met uitgebreide warmtewisselaars en luchtstroommodellen. Dan, helemaal aan het eind van de lijn, geef je het bord over aan de productie om te worden gecoat. Ze mengen een tweedelige epoxy, gieten het in de behuizing en plaatsen het op een rek om uit te harden.

Dat is precies waar je de eenheid verliest.

Het was geen elektrische kortsluiting of een firmwarefout. Het was het falen om de geweldigheid van de chemische reactie die je net hebt geïnitieerd, te respecteren. Potten is niet simpelweg 'drogen' of 'uitharden'. Het is een exotherme polymerisatiegebeurtenis. Wanneer je Deel A en Deel B mengt, start je een vuur dat chemisch brandt in plaats van oxidatief. Als je dat vuur niet beheert, kan de interne temperatuur van de potmassa gemakkelijk boven de 180°C uitkomen—je elektrolytische condensatoren koken, weerstanden desolderen en ferrietkern passen voordat het apparaat zelfs de fabriek verlaat.

De Fysica van Boze Chemie

De fundamentele fout die de meeste ingenieurs maken, is aannemen dat de temperatuur binnen de pottenkop overeenkomt met de uithardingsoven of de kamer. Dit is gevaarlijk onjuist. De reactie tussen een epoxyhars en de hardeemiddel geeft energie af. In een dunne film, zoals een conformale coating, verspreidt die warmte zich direct in de lucht. De reactie blijft koel. Maar potten is een bulkproces. Je giet een dikke, isolerende deken van plastic rond een warmtebron die zelf het plastic is.

Dit creëert een loop die uit de hand loopt, aangedreven door de Arrhenius-vergelijking: ongeveer elke 10°C toename in temperatuur verdubbelt de reactionsnelheid. Terwijl de epoxy reageert, genereert het warmte. Die warmte kan niet ontsnappen omdat epoxy een natuurlijke thermische isolator is. Dus blijft de warmte in het hart, waardoor de temperatuur stijgt. De hogere temperatuur maakt de resterende epoxy sneller reageren, wat meer warmte genereert, en de reactie verder aanjaagt. Het is een motor die zichzelf versnelt totdat hij geen brandstof meer heeft of iets smelt. meer warmte, waardoor de reactie nog harder wordt aangedreven. Het is een motor die zichzelf versnelt totdat hij geen brandstof meer heeft of iets smelt.

Je zou denken dat je veilig bent omdat je een 'Room Temperature Cure'-formulering gebruikt. Laat je niet door de terminologie voor de gek houden. 'Room Temperature' betekent gewoon dat je geen externe oven nodig hebt om de reactie te starten; het betekent niet dat het materiaal op kamertemperatuur blijft. In feite zijn snelle '5-minuten' epoxies vaak de meest gewelddadige overtreders. Ik heb een technicus een emmer van 5 gallon snel uithardende epoxy zien mengen, met de bedoeling het in te scheppen over een uur. Binnen tien minuten was de emmer een rokende vulkaan die zijn eigen plastic voering smolt en aan de betonnen vloer vastsmolt. De fysica van massaeffect onderhandelt niet.

Verwar dit niet met een mengfout. Ja, als je de verhouding verkeerd mengt, krijg je een kleverige, zachte troep die nooit uithardt. Dat is een mislukking, maar het is een 'veilige' mislukking. Het veel gevaarlijkere scenario is wanneer je het perfect, maar onderschat de massa. Een kopje van 100 gram kan een piektemperatuur van beheersbare 60°C bereiken. Datzelfde materiaal, gegoten in een reservoir van 2 liter voor een hoogspanningsvoeding, heeft een veel lagere oppervlaktedichtheid-tot-volumeverhouding. Het kan de warmte niet afvoeren. De kerntemperatuur piekt, en plotseling heb je een reactorvat dat op je werkbank staat.

Stille Moordenaars: Hoe Componenten Sterven

Wanneer de exotherm piekt, is de schade zelden zichtbaar aan de buitenkant. Het oppervlak van de potting kan er onberispelijk uitzien, misschien een beetje warm aanvoelen. Maar diep van binnen, waar de hitte geen kant op kon, is de omgeving vijandig geworden.

Neem een standaard oppervlakte-montage-assemblage. Je hebt 0402-condensators gesoldeerd op FR4. Als de epoxy-exotherm zijn piek bereikt—laten we zeggen 160°C—is het bord heet, maar de soldeer houdt stand. Maar zodra de reactie voltooid is, wordt de epoxy hard tot een stijf vast geheel. Nu begint de hele massa af te koelen naar kamertemperatuur. Nu sta je voor de tweede doder: Coëfficiënt van Thermische Uitzetting (CTE) mismatch. De epoxy krimpt bij afkoelen. De PCB krimpt in een andere mate. De keramische condensator krimpt vrijwel niet. Het resultaat is een enorme schuifkracht die direct wordt uitgeoefend op de soldeerverbindingen. Ik heb condensators gezien die van hun pads werden getrokken, of erger nog, intern gebroken zodat ze vandaag een continuïteitstest doorstaan, maar na een maand vibratie in het veld open breken.

Magnetische componenten zijn nog kwetsbaarder. Ferrietkernen zijn bros keramiek dat afhankelijk is van specifieke kristallijne structuren om inductantie te behouden. Wanneer je een transformator inpakt in een harde, ongevulde epoxy en laat exothermen, onderwerpt je hem in feite aan een thermische schok gevolgd door een verpletterende mechanische pers. Als je in een stille productiesector staat na een batch van voedingen te hebben ingepakt, is het soms te horen tink tink het geluid van ferrietkernen die knappen inside de koelingshars. Je zult het niet zien, maar je inductiewaarden zullen uit de specificatie drijven, en de efficiëntie van je voedingen zal dalen.

Batterijen vormen hier de hoogste inzet. Als je 18650-cellen in een prototypenpakket inpot, speel je met vuur—letterlijk. Standaard structurele epoxy's kunnen gemakkelijk temperaturen bereiken die de PVC-omhulsels (meestal rated op ~80°C tot 100°C) smelten. Als die isolatie smelt, kortsluiten de cellen tegen elkaar of tegen de behuizing. Ik heb bundels gezien die niet explodeerden, maar feitelijk dood waren bij aankomst omdat de thermische gebeurtenis tijdens het inpotten de scheidingsmateriaal had beschadigd.

De Leugen van de Datasheet

Dus waarom waarschuwde de datasheet je niet? Waarschijnlijk deed het dat wel, maar je moet weten hoe je de kleine lettertjes moet lezen. Verkopers willen je epoxy verkopen, dus vermelden ze de "Peak Exotherm" onder de meest gunstige omstandigheden mogelijk.

Bekijk het testmethode nauwkeurig. Meestal verwijst het naar ASTM D2240 of een vergelijkbare standaard, en ergens in de voetnoten wordt de massa van het testmonster gespecificeerd. Het is bijna altijd 100 gram. 100 gram is een koffiekopje. Het is geen 55-gallon drum of een dieprekening voor hoge spanning. Afgaan op dat getal voor een gietvolume is alsof je aanneemt dat een kampvuur en een bosbrand dezelfde thermische output hebben omdat ze beide hout verbranden.

Bovendien testen verkopers vaak in een container die goed warmte geleidt, of spreiden het materiaal uit in een dunne laag. In je product giet je mogelijk in een plastic behuizing (isolator) rond een PCB (isolator). De hitte heeft geen ontsnappingspad. De datasheet is geen garantie voor prestaties; het is een basismaat in "Lab Wereld". Jij leeft in "Productie Wereld," en de schaalfactoren hier zijn niet-lineair. Je kunt de exacte piek-exotherm van je specifieke geometrie niet voorspellen met een lineaire extrapolatie van de gegevens van de leverancier.

Mitigatie: De Chemie Pivot

Als je gevaarlijke hitte-niveaus ziet, is je eerste wapenchemie. Je hebt een materiaal nodig dat fungeert als een warmteafleider in plaats van alleen een warmtegenererend materiaal.

Dit betekent meestal overstappen op een "sterk gevulde" systeem. Deze epoxies zijn geladen met thermisch geleidende vulstof zoals alumina of silica. De vulstoffen doen twee dingen: ze geleiden warmte van de kern naar het oppervlak, en ze verdrijven de volume van de reactieve hars. Als een pot 50% vulstof bevat per gewicht, betekent dat 50% minder chemische reactie per kubieke centimeter. De concessie is viscositeit—gevulde materialen zijn als koude honing gieten—maar ze zullen je piek temperaturen onder controle houden.

Je zou er ook over kunnen nadenken om epoxy volledig achterwege te laten. Siliconen en urethaan hebben over het algemeen veel lagere exothermen. Siliconen zijn vooral zeer vergevingsgezind wat betreft de uithardingstemperatuur en brengen bijna geen stress op componenten omdat ze zacht blijven (Low Shore A-hardheid). Maar voordat je overschakelt op siliconen, onthoud dat siliconenoliën overal migreren en hechtingsproblemen kunnen veroorzaken bij schilderen of coatingprocessen verderop. Het lost het warmteprobleem op, maar brengt een besmettingsrisico met zich mee dat je moet beheersen.

Mitigatie: De Procespivoter

Als je een rigide epoxy moet gebruiken en een grote hoeveelheid moet vullen, kun je de fysica van de reactie niet tegenhouden. Je moet de gietgeometrie aanpassen.

De meest betrouwbare (zij het dure) oplossing is de “Twee-Fasen Giet.” Je vult het apparaat halverwege, waarbij je de minder gevoelige componenten of gewoon de basis bedekt. Je laat die laag uitharden en afkoelen. Vervolgens giet je de tweede helft. Door de massa te splitsen, verminder je de exotherme piek aanzienlijk. De hitte van de tweede giet kan ook in de eerste laag wegvloeien, die fungeert als een warmteafleider.

Productiemanagers haten dit. Het verdubbelt de handlingtijd en verhoogt de werk-in-uitvoering (WIP) op de vloer. Ze vragen zich af of ze de cure-rekken gewoon in een koelkast kunnen plaatsen om ze af te koelen. Dit is riskant. Als je de buitenkant te snel afkoelt terwijl de binnenkant reageert, creëer je een thermisch gradiënt die leidt tot enorme interne spanning en scheuren. Je kunt ventilatoren gebruiken om de lucht te bewegen, maar actieve koeling veroorzaakt vaak meer problemen dan dat het oplost, waaronder vochtcondensatie op het niet-uitgeharde oppervlak die de reactie kan belemmeren.

De Enige Waarheid is de Thermokoppel

Je kunt dit modelleren, datasheets lezen, en met de verkoper praten. Maar er is slechts één manier om te weten of je je bord aan het koken bent.

Je moet een eenheid opofferen.

Neem een productie-kwaliteit bord en behuizing. Boor een gat in de behuizing of steek een sonde erin voordat je giet. Inbouw een K-type thermokoppel direct in het midden van de grootste epoxymassa, of plak het op het lichaam van je meest gevoelige condensator. Giet de potting-stof en sluit de sonde aan op een datalogger. Loop weg en laat het uitharden.

Als je terugkomt, kijk dan naar de curve. Als je een piek ziet die 140°C of 160°C bereikt, heb je je antwoord. Geen enkele theoretische discussie override de gegevens van de thermokoppel. Die grafiek is je toestemming om een proceswijziging, een materiaalswitch, of een herontwerp te eisen. Zolang je die lijn niet op een grafiek hebt, gok je alleen maar, en physics staat klaar om je te bewijzen dat je het mis hebt.