Termodynamika awarii: Dlaczego potting gotuje Twoje płytki

Spędzasz miesiące, optymalizując integralność sygnału. Walczysz o każdy decybel poziomu szumu. Potwierdzasz zarządzanie termiczne tranzystorów FET za pomocą skomplikowanych radiatorów i modeli przepływu powietrza. A potem, na samym końcu linii, przekazujesz płytę do produkcji do zalania. Mieszają dwuskładnikowy epoksyd, wleją go do obudowy i ustawiają na stojaku, by utwardzić.

To właśnie tam tracisz jednostkę.

To nie była elektryczna zewrzenie ani błąd w oprogramowaniu. To był brak szacunku dla gwałtowności reakcji chemicznej, którą właśnie rozpocząłeś. Zalewanie to nie tylko „suszenie” lub „ utwardzanie”. To egzotermiczne zjawisko polimeryzacji. Gdy mieszysz część A z częścią B, rozpoczynasz pożar, który pali się chemicznie, a nie oksydacyjnie. Jeśli nie opanujesz tego pożaru, temperatura wewnętrzna masy zalewowej może łatwo przekroczyć 180°C—gotując kondensatory elektrolityczne, odlutowując rezystory i pękając rdzenie ferrytowe, zanim jednostka opuści nawet halę produkcyjną.

Fizyka Wściekłej Chemii

Podstawowym błędem, jaki popełnia większość inżynierów, jest założenie, że temperatura wewnątrz kubka z zalewą odpowiada temperaturze w suszarni lub pomieszczeniu. To jest niebezpiecznie błędne. Reakcja pomiędzy żywicą epoksydową a utwardzaczem wydziela energię. W cienkiej warstwie, jak powłoka konfornalna, ciepło to natychmiast rozprasza się w powietrzu. Reakcja pozostaje chłodna. Jednak zalewanie to proces masowy. Wlewasz gruby, izolujący koc z plastiku wokół źródła ciepła, którym jest sam plastik.

To tworzy niekontrolowaną pętlę termiczną napędzaną równaniem Arrheniusa: na każde około 10°C wzrostu temperatury, tempo reakcji podwaja się. Gdy epoksyd reaguje, generuje ciepło. To ciepło nie może uciec, bo epoksyd jest naturalnym izolatorem termicznym. Tak więc ciepło pozostaje w rdzeniu, podnosząc temperaturę. Wyższa temperatura sprawia, że pozostała część epoksydu reaguje szybciej, generując więcej ciepło, napędzając reakcję jeszcze mocniej. To silnik, który przyspiesza sam siebie, aż zabraknie mu paliwa lub coś się stopi.

Możesz myśleć, że jesteś bezpieczny, ponieważ używasz formulacji „Czasu utwardzania w temperaturze pokojowej”. Nie daj się zwieść terminologii. „Temperatura pokojowa” po prostu oznacza, że nie potrzebujesz zewnętrznej pieca do rozpoczęcia reakcji; nie oznacza to, że materiał pozostaje w temperaturze pokojowej. W rzeczywistości najszybciej twardniejące „5-minutowe” epoksydy często są najbardziej agresywnymi sprawcami. Widziałem technika, który mieszał kubeł 5-galonowy z epoksydem szybkiego twardnienia, zamierzając go wylać w ciągu godziny. W ciągu dziesięciu minut kubeł był dymiącym wulkanem, który stopił własną plastikową warstwę i połączył się z betonową podłogą. Fizyczność efektu masowego nie negocjuje.

Nie myl tego z błędem mieszania. Tak, jeśli pomieszasz proporcje źle, otrzymasz gumowatą, miękką masę, która nigdy nie utwardza się. To jest porażka, ale to "bezpieczna" porażka. O wiele bardziej niebezpieczny scenariusz jest wtedy, gdy mieszasz go idealnie, ale niedoceniasz masę. Szklanka o wadze 100 g może osiągnąć szczytową temperaturę 60°C. Ten sam materiał, wlana do zbiornika o pojemności 2 litrów dla zasilania wysokiego napięcia, ma znacznie niższy stosunek powierzchni do objętości. Nie potrafi odprowadzić ciepła. Temperatura rdzenia gwałtownie rośnie i nagle na Twoim stole pojawia się naczynie reaktora.

Cisi Zabójcy: Jak giną komponenty

Gdy skok egzotermy występuje, uszkodzenia rzadko są widoczne na zewnątrz. Powierzchnia masy epoksydowej może wyglądać na nieskazitelną, może być odczuwalnie ciepła w dotyku. Ale głęboko wewnątrz, tam gdzie ciepło nie miało dokąd uciec, środowisko staje się wrogie.

Weź standardową montażową powierzchnię. Masz kondensatory 0402 lutowane do FR4. Gdy egzotermia epoksydowa osiąga szczyt — powiedzmy 160°C — płytka jest gorąca, ale lut trzyma. Jednak gdy reakcja się kończy, epoksyd twardnieje w sztywną masę. Teraz cała masa zaczyna się ochładzać do temperatury pokojowej. Ale pojawia się drugi zabójca: dopasowanie współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE). Epoksyd kurczy się podczas chłodzenia. PCB kurczy się w innym tempie. Kondensator ceramiczny w ogóle się nie kurczy. Wynik to ogromna siła smagania działająca bezpośrednio na połączenia lutownicze. Widziałem, jak kondensatory odrywały się od padów, lub jeszcze gorzej, pękały od wewnątrz, więc dziś przechodzą test ciągłości, ale po miesiącu wibracji w terenie, nie przewodzą już prądu.

Elementy magnetyczne są jeszcze bardziej podatne. Rdzenie ferrytowe to kruche ceramiki, które opierają się na określonych strukturach krystalicznych, aby utrzymać indukcyjność. Gdy obudowujesz transformator twardym, niepełnym epoksydem i pozwalasz mu na egzotermę, właściwie narażasz go na szok termiczny, a następnie na mechaniczne zgniatanie. Jeśli stoisz w cichej hali produkcyjnej po zatopieniu serii zasilaczy, czasami słyszysz cichy tink tink dźwięk pękania rdzeni ferrytowych wewnątrz chłodzącej żywicy. Nie zobaczysz tego, ale Twoje wartości indukcyjności będą się przesuwać poza tolerancję, a sprawność zasilacza spadnie.

Akumulatory to najbardziej ryzykowna sprawa. Jeśli zalewasz 18650 do prototypowego pakietu, grasz z ogniem — dosłownie. Standardowe epoksydy strukturalne mogą łatwo osiągnąć temperatury, które topią PVC - odprowadzające nawinięcie na bateriach (zazwyczaj od około 80°C do 100°C). Gdy izolacja się topi, ogniwa zwarcie się ze sobą lub z obudową. Widziałem pakiety, które nie wybuchły, ale były praktycznie martwe od razu, bo wydarzenie termiczne podczas zatapiania uszkodziło separatory.

Kłamstwo Karty Danych

Więc dlaczego karta katalogowa Ci tego nie ostrzegała? Prawdopodobnie tak, ale musisz umieć czytać drobny druk. Sprzedawcy chcą sprzedawać epoxy, więc podają „Szczytową Egzotermię” w jak najkorzystniejszych warunkach.

Przyjrzyj się dokładnie metodzie testowania. Zazwyczaj odwołuje się do ASTM D2240 lub podobnego standardu, a gdzieś w przypisach znajdziesz masę próbki testowej. To prawie zawsze 100 gramów. 100 gramów to kubek kawy. To nie jest beczka 55-galonowa czy obudowa wysokiego napięcia z głębokim przekrojem. Poleganie na tej liczbie dla odlewu o dużej objętości jest jak założenie, że ognisko i pożar lasu mają tę samą wydajność cieplną, bo oba palą drewno.

Ponadto, sprzedawcy często testują w pojemnikach dobrze przewodzących ciepło lub rozprowadzają materiał w cienkiej warstwie. W Twoim produkcie możesz wlewać do plastikowej obudowy (izolatora) wokół PCB (izolatora). Ciepło nie ma drogi ucieczki. Karta katalogowa nie jest gwarancją wydajności; to podstawowy pomiar wykonany w „Laboratorium”. Żyjesz w „Świecie Produkcji”, a tutaj czynniki skalujące są nieliniowe. Nie potrafisz przewidzieć dokładnego szczytu egzotermy swojego konkretnego kształtu geometrii, używając liniowej extrapolacji danych sprzedawcy.

Łagodzenie: Chemiczny punkt zwrotny

Jeśli widzisz niebezpieczne poziomy ciepła, pierwszym narzędziem jest chemia. Potrzebujesz materiału, który działa jako radiator ciepła, a nie tylko generator ciepła.

To zwykle oznacza przejście na system „wysoce napełniony”. Te epoksydy są wypełnione termo przewodzącymi wypełniaczami, takimi jak alumina czy krzemionka. Wypełniacze robią dwie rzeczy: przewodzą ciepło z rdzenia na powierzchnię, oraz wypierają objętość reakcyjnej żywicy. Jeśli pot jest wypełniony 50% wypełniaczem wagowo, oznacza to mniej reakcji chemicznej zachodzącej na m3. W zamian, jest to kwestia lepkości — wypełnione materiały są jak chłodny miód, ale utrzymują Twoje szczytowe temperatury niskie.

Możesz również rozważyć całkowite pominięcie epoksy. Silikony i urethany mają zazwyczaj znacznie niższe ekstermy. Silikony, w szczególności, są bardzo wyrozumiałe dla temperatury utwardzania i stwarzają prawie żadnego stresu na komponenty, ponieważ pozostają miękkie (niskie twardości Shore A). Jednak zanim zamienisz silikon, pamiętaj, że oleje silikonowe migrują wszędzie i mogą powodować problemy z przyczepnością w procesach malowania lub powlekania w dalszej części. Rozwiązuje to problem ciepła, ale wprowadza ryzyko zanieczyszczenia, którym musisz zarządzać.

Łagodzenie: Proces jako punkt zwrotny

Jeśli musisz użyć sztywnego epoksydu i masz do wypełnienia dużą objętość, nie możesz walczyć z fizyką reakcji. Musisz zmienić geometrię zaczynu.

Najbardziej niezawodnym (choć kosztownym) rozwiązaniem jest „Dwuetapowy wlew”. Napełniasz urządzenie w połowie, pokrywając mniej wrażliwe komponenty lub tylko podstawę. Pozwól, aby ta warstwa związała się i ostygła. Następnie wlewaj drugą połowę. Dzieląc masę, znacznie ograniczasz szczyt ekstermu. Ciepło z drugiego wlewu może również rozproszyć się do pierwszej warstwy, która działa jak radiator.

Menadżerowie produkcji tego nie lubią. Podwaja to czas obsługi i zwiększa ilość prac w toku (WIP) na hali. Zapytają, czy można po prostu wstawić racki do utwardzania do lodówki, aby je schłodzić. Jest to ryzykowne. Jeśli chłodzisz zewnętrzną część zbyt szybko, podczas gdy wewnętrzna część reaguje, tworzysz gradient termiczny, który prowadzi do dużych naprężeń wewnętrznych i pęknięć. Możesz używać wentylatorów do przemieszczania powietrza, ale aktywne chłodzenie często powoduje więcej problemów niż rozwiązuje, w tym kondensację wilgoci na powierzchni niew utwardzonej, co może hamować reakcję.

Jedyną prawdą jest termo-kukla

Możesz to modelować, czytać dane techniczne i dyskutować z przedstawicielami sprzedawców. Ale jest tylko jeden sposób, aby sprawdzić, czy nie gotujesz swojej płyty.

Musisz poświęcić jednostkę.

Weź płytę i obudowę przeznaczone do produkcji. Wywierć otwór w obudowie lub wsadź sonda przed wylaniem. Umieść termoparówkę typu K bezpośrednio w centrum największej masy epoksydu albo przyklej ją taśmą do obudowy najbardziej wrażliwego kondensatora. Wylej masę do obudowy i podłącz sondę do rejestratora danych. Odchodź i pozwól utwardzić się.

Gdy wrócisz, popatrz na wykres. Jeśli zobaczysz szczyt osiągający 140°C lub 160°C, masz swoją odpowiedź. Żadna dyskusja teoretyczna nie zastąpi danych z termoparówki. Ten wykres to Twoja zgoda na zmianę procesu, zmianę materiału lub redesign. Dopóki nie masz tego na wykresie, tylko zgadujesz, a fizyka czeka, by cię wyprowadzić z błędu.