A Corrente Invisível: Por Que o Fluxo “No-Clean” Está Matando a Vida Útil da Sua Bateria

A Matemática da Decepção

A planilha prometia dez anos. O material de marketing prometia dez anos. As unidades de teste de validação de engenharia, sentadas em um laboratório com ar-condicionado, ainda estão funcionando perfeitamente. No entanto, no campo — talvez em um armário úmido de utilidades na Flórida ou em uma rede de sensores agrícolas no Atlântico Médio — as unidades estão morrendo em seis meses. As baterias estão descarregadas.

Quando isso acontece, o instinto é culpar a fonte de energia. Você verifica os registros, confere os pedidos de compra e se convence de que o distribuidor enviou um lote ruim de CR2032s. Você assume que a taxa de autodescarga foi mentida, ou que a curva de redução de temperatura foi otimista.

Quase nunca é a bateria. Células primárias modernas de lítio de fornecedores Tier 1 são motores químicos notavelmente consistentes. Se estão vazias, não vazaram energia para o éter; entregaram-na a uma carga. O problema é que a carga não é seu microcontrolador ou seu rádio. É a própria placa de circuito.

A Mentira do Fluxo “Sem Limpeza”

O culpado geralmente é um mal-entendido do termo “Sem Limpeza”. No mundo da eletrônica digital de alta velocidade — pense em Raspberry Pis ou placas-mãe de laptops — o fluxo “Sem Limpeza” é um material padrão e seguro. Ele deixa um resíduo quimicamente benigno o suficiente para não causar curto-circuito em um trilho de alimentação de 3,3V que carrega amperes de corrente. A impedância desse resíduo pode estar na casa dos megaohms, o que, para uma fonte de alimentação de CPU, é efetivamente um circuito aberto.

Mas você não está construindo um laptop. Você está construindo um dispositivo de ultra baixo consumo (ULP) onde o orçamento de sono é medido em nanoamperes. Nesse domínio, “Sem Limpeza” é uma fabricação de marketing. O resíduo de fluxo deixado pelo processo de refluxo é feito de ativadores iônicos — ácidos projetados para corroer óxidos nas almofadas de cobre para garantir uma boa solda. Quando a placa sai do forno, esse resíduo efetivamente endurece. Mas não é inerte. É higroscópico. Puxa umidade do ar.

À medida que a umidade aumenta, essa crosta benigna se transforma em um eletrólito condutor. Não estamos falando de um curto-circuito total. Estamos falando de um curto “suave”: uma resistência parasita em torno de 10 a 50 megaohms. Em um dispositivo alimentado pela rede elétrica, isso é ruído. Em um dispositivo tentando dormir a 500nA, uma resistência paralela de 20 megaohms através dos terminais da bateria ou do interruptor de energia é uma catástrofe. Ela consome 150nA extras continuamente, 24 horas por dia, independentemente do estado do firmware. Esse vazamento invisível é o que rouba seus nove anos e meio de vida útil da bateria.

Há uma tendência perigosa de tentar corrigir isso com revestimento conformal. A lógica parece sólida: se a umidade é o gatilho, sele a placa. Mas pulverizar urethane ou acrílico sobre uma placa que não foi lavada agressivamente não é uma solução — é um túmulo. Você está simplesmente prendendo os contaminantes iônicos e a umidade ambiente sob o revestimento. A corrosão continuará, agora protegida de suas tentativas de limpeza, e os dendritos crescerão felizes em sua estufa particular.

A Ponte Invisível: Umidade e Dendritos

O mecanismo de falha raramente é estático. Ele respira com o ambiente. É por isso que você não pode reproduzi-lo em seu banco de trabalho em um escritório com ar-condicionado. A condutividade do resíduo de fluxo é não linear e caótica; ela dispara quando a umidade relativa ultrapassa um limite, frequentemente em torno de 60-70%.

Considere um caso generalizado de implantação de medição inteligente. Unidades instaladas em salas de servidores com controle climático duram para sempre. Unidades idênticas instaladas em invólucros externos falham em grupos durante a estação chuvosa. Sob um microscópio, às vezes você pode ver a evidência física: crescimento dendrítico. São cristais metálicos em forma de samambaia que crescem do cátodo em direção ao ânodo, alimentados pelos íons metálicos dissolvidos no resíduo do fluxo. Eles não precisam preencher completamente a lacuna para arruinar você. Eles só precisam reduzir a resistência de isolamento o suficiente para drenar a bateria.

Essa migração é impulsionada pelo campo elétrico. Quanto mais compacto seu layout—componentes 0402, BGAs com passo de 0,5 mm—maior a intensidade do campo entre os pinos, e mais rápida ocorre a migração. O resíduo não precisa ser visível a olho nu para ser fatal. Uma monocamada de contaminação iônica é suficiente para fazer a ponte entre dois pads em um microcontrolador, despertando-o do sono profundo ou simplesmente drenando corrente de VCC para o terra.

Seu Multímetro Está Mentindo para Você

Parte da razão pela qual esse modo de falha persiste é que as ferramentas de engenharia padrão são cegas para ele. Você não pode diagnosticar um vazamento de 50nA com um Fluke 87V. Multímetros portáteis padrão têm uma tensão de carga—uma queda de tensão interna—que perturba o circuito que você está tentando medir. Pior, eles fazem uma média da corrente. Eles não conseguem ver a natureza dinâmica de um vazamento que pode estar pulsando ou derivando.

Se você está depurando a vida útil da bateria ULP, deve usar uma Unidade de Medida e Fonte (SMU) como a Keithley 2450, ou pelo menos uma ferramenta especializada como o Joulescope. Você precisa ver o piso. Você precisa verificar que quando seu firmware diz “sleep”, a corrente está realmente estável. Frequentemente, com um instrumento adequado, você verá o “creep”—a corrente subindo lentamente ao longo de minutos enquanto a placa aquece ou enquanto o resíduo reage ao ambiente. Se você confiar na leitura padrão do multímetro de “0,00 uA”, estará voando às cegas.

O Mandato da Fabricação

Você não encontrará a solução no firmware ou em uma bateria maior. Você a encontra na casa de montagem. A limpeza deve ser tratada como uma especificação de projeto, não um detalhe de fabricação.

Se você está projetando para uma vida útil de 10 anos em uma célula moeda, não pode usar um processo padrão “No-Clean”. Você deve exigir uma lavagem. E não apenas um mergulho em um balde de IPA—isso apenas espalha a graxa. Você precisa de uma lavagem aquosa em linha com saponificantes, seguida por um enxágue com água DI e uma secagem para remover a umidade.

Esta será uma luta. Fabricantes Contratados (CMs) odeiam linhas de lavagem. Elas são caras, requerem manutenção e desaceleram a linha. Eles mostrarão folhas de dados do fornecedor de fluxo alegando que ele passa na IPC-J-STD-001. Você deve ignorar isso. Esses padrões são para eletrônicos gerais, não para dispositivos vivendo no limite da física.

Você deve exigir testes de Cromatografia iônica. Você precisa de prova de que a placa está quimicamente limpa, não apenas visualmente limpa. Se o CM recusar, ou tentar vender para você um fluxo “No-Clean” “melhor”, afaste-se. O custo de um processo de lavagem adequado é centavos por placa. O custo de uma visita técnica para substituir uma unidade morta no campo é centenas de dólares. Faça as contas e então exija a lavagem.