A Termodinâmica da Falha: Por Que a Encapsulação Cozinha Suas Placas

Você passa meses otimizando a integridade do sinal. Você luta por cada decibel de ruído de fundo. Você valida o gerenciamento térmico dos FETs com dissipadores de calor elaborados e modelos de fluxo de ar. Então, bem no final da linha, você entrega a placa para produção ser encapsulada. Eles misturam uma epóxi de duas partes, despejam-na na carcaça e a colocam em uma prateleira para curar.

É exatamente aí que você perde a unidade.

Não foi um curto elétrico ou uma falha de firmware. Foi uma falha em respeitar a violência da reação química que você acabou de iniciar. Encapsulamento não é simplesmente "secagem" ou "endurecimento". É um evento de polimerização exotérmica. Quando você mistura a Parte A e a Parte B, inicia um fogo que queima quimicamente em vez de oxidativamente. Se você não gerenciar esse fogo, a temperatura interna da massa de encapsulamento pode facilmente ultrapassar 180°C—cozinhando seus capacitores eletrolíticos, dessoldando resistores e rachando núcleos de ferrite antes mesmo da unidade deixar a linha de produção.

A Física da Química Raivosa

O erro fundamental que a maioria dos engenheiros comete é assumir que a temperatura dentro do copo de encapsulamento corresponde ao forno de cura ou à sala. Isso está perigosamente errado. A reação entre uma resina epóxi e seu endurecedor libera energia. Em uma película fina, como um revestimento conformal, esse calor se dissipa no ar instantaneamente. A reação permanece fria. Mas o encapsulamento é um processo de volume. Você está despejando uma camada espessa e isolante de plástico ao redor de uma fonte de calor que é o próprio plástico.

Isso cria um ciclo térmico descontrolado impulsionado pela equação de Arrhenius: para aproximadamente cada aumento de 10°C na temperatura, a taxa de reação duplica. À medida que o epóxi reage, ele gera calor. Esse calor não pode escapar porque o epóxi é um isolante térmico natural. Portanto, o calor fica no núcleo, aumentando a temperatura. Quanto maior a temperatura, mais rápido o epóxi restante reage, gerando mais calor, impulsionando ainda mais a reação. É um motor que se acelera até ficar sem combustível ou derreter alguma coisa.

Você pode pensar que está seguro porque está usando uma formula de "Cura à Temperatura Ambiente". Não se deixe enganar pelo termo. "Temperatura Ambiente" significa apenas que você não precisa de um forno externo para iniciar a reação; isso não significa que o material permaneça na temperatura ambiente. Na verdade, epóxis de endurecimento rápido de "5 minutos" são frequentemente os maiores responsáveis por incidentes violentos. Já vi um técnico misturar um balde de 5 galões de epóxi de endurecimento rápido, planejando despejá-lo em uma concha ao longo de uma hora. Em dez minutos, o balde virou um vulcão fumegante que derreteu sua própria camada de plástico e se fundiu ao piso de concreto. A física do efeito de massa não negocia.

Não confunda isso com um erro de mistura. Sim, se você misturar na proporção errada, obtém um desastre pegajoso e macio que nunca cura. Isso é uma falha, mas é uma falha "segura". O cenário muito mais perigoso é quando você mistura perfeitamente, mas subestima a massa. Uma taça de 100 gramas pode atingir um pico gerenciável de 60°C. O mesmo material, despejado em um reservatório de 2 litros para uma fonte de alimentação de alta voltagem, tem uma razão de área de superfície para volume muito menor. Ele não consegue dissipar o calor. A temperatura do núcleo sobe, e de repente você tem um vaso reator na sua bancada.

Assassinos Silenciosos: Como os Componentes Morrem

Quando o calor exotérmico atinge o pico, o dano raramente é visível por fora. A superfície do encapsulamento pode parecer pristine, talvez um pouco quente ao toque. Mas lá no fundo, onde o calor não tinha para onde ir, o ambiente tornou-se hostil.

Pegue uma montagem padrão de montagem superficial. Você tem capacitores 0402 soldado à FR4. Quando o exotherm do epóxi atinge seu pico—digamos 160°C—a placa está quente, mas a solda mantém. No entanto, à medida que a reação termina, o epóxi endurece em um sólido rígido. Agora, toda a massa começa a esfriar até a temperatura ambiente. Agora você enfrenta o segundo problema: incompatibilidade do Coeficiente de Expansão Térmica (CTE). O epóxi incha à medida que esfria. A PCB encolhe a uma taxa diferente. O capacitor de cerâmica não encolhe muito. O resultado é uma força de cisalhamento massiva aplicada diretamente às junções de solda. Já vi capacitores arrancados de suas pads, ou pior, rachados internamente, passando no teste de continuidade hoje, mas falhando após um mês de vibração no campo.

Componentes magnéticos são ainda mais vulneráveis. Núcleos de ferrite são cerâmicas frágeis que dependem de estruturas cristalinas específicas para manter a inductância. Quando você encapsula um transformador em um epóxi duro, não preenchido, e deixa ele exothermar, você está essencialmente submetendo-o a um choque térmico seguido de uma estrutura mecânica esmagadora. Se você estiver em uma área de produção tranquila após uma remessa de fontes de alimentação que foi encapsulada, às vezes consegue ouvir o leve "tink tink". som de núcleos de ferrite rachando dentro da resina de resfriamento. Você não verá, mas seus valores de inductância irão variar fora das especificações e a eficiência da sua fonte de energia cairá. Baterias são o jogo de maior risco aqui. Se você estiver encapsulando células 18650 para um pacote protótipo, está brincando com fogo—literalmente. Epóxis estruturais padrão podem facilmente atingir temperaturas que derretem o revestimento de PVC nas células (normalmente classificado para ~80°C a 100°C). Uma vez derretida, a isolação, as células fazem curto entre si ou com a caixa. Já vi pacotes que não explodiram, mas estavam efetivamente mortos na chegada porque o evento térmico durante o encapsulamento comprometeu os separadores.

A mentira da folha de dados

Então por que a folha de dados não avisou você? Provavelmente avisou, mas você precisa saber como ler as letras miúdas. Os fornecedores querem vender epóxi para você, então listam o " pico de exotherm" nas condições mais favoráveis possíveis.

Observe de perto o método de teste. Normalmente, cita ASTM D2240 ou uma norma similar, e em alguma nota de rodapé especifica a massa da amostra de teste. É quase sempre 100 gramas. 100 gramas é uma xícara de café. Não é um tambor de 55 galões ou uma caixa de alta voltagem de seção profunda. Confiar nesse número para uma transferência de grande volume é como assumir que uma fogueira e um incêndio florestal têm a mesma saída térmica porque ambos estão queimando madeira.

Além disso, os fornecedores freqüentemente testam em um recipiente que conduz calor bem, ou espalham o material em uma camada fina. Em seu produto, você pode estar despejando em uma caixa de plástico (isolante) ao redor de uma PCB (isolante). O calor não tem caminho de escape. A folha de dados não garante desempenho; ela é uma medida base tirada no "Laboratório do Mundo". Você vive no "Mundo da Produção", e os fatores de escala aqui não são lineares. Você não pode prever o pico exotherm exato da sua geometria específica usando uma extrapolação linear dos dados do fornecedor.

Mitigação: A Mudança na Química

Se você está vendo níveis perigosos de calor, sua primeira opção é a química. Você precisa de um material que atue como dissipador de calor, em vez de apenas gerar calor.

Isso geralmente significa passar para um sistema ‘altamente preenchido’. Esses epóxis são carregados com preenchimentos termicamente condutivos como alumina ou sílica. Os preenchimentos fazem duas coisas: conduzem o calor do núcleo para a superfície, e deslocam o volume de resina reativa. Se um pote tem 50% de preenchimento por peso, isso significa 50% menos reação química por centímetro cúbico. A troca é a viscosidade—materiais preenchidos são como despejar mel frio—mas eles manterão suas temperaturas máximas mais baixas.

Você também pode considerar deixar o epóxi completamente de lado. Silicones e uretanos geralmente têm exotherms muito menores. Silicones, em particular, são muito tolerantes à temperatura de cura e colocam quase nenhum estresse nos componentes porque permanecem macios (Dureza Shore A baixa). No entanto, antes de trocar para silicone, lembre-se de que óleos de silicone migram por toda parte e podem causar falhas de adesão em processos de pintura ou revestimento a jusante. Eles resolvem o problema de calor, mas introduzem um risco de contaminação que você deve gerenciar.

Mitigação: A Mudança no Processo

Mitigação: O Pivô do Processo

Se você precisar usar uma epóxi rígida e tiver um grande volume para preencher, não pode lutar contra a física da reação. Você precisa alterar a geometria do despejo.

A solução mais confiável (embora cara) é o “Despejo em Duas Etapas”. Você enche a unidade até a metade, cobrindo os componentes menos sensíveis ou apenas a base. Deixe essa camada gelar e esfriar. Depois despeje a segunda metade. Ao dividir a massa, você reduz significativamente o pico de exotherm. O calor da segunda aplicação também pode dissipar-se na primeira camada, que atua como um dissipador de calor.

Gerentes de produção odeiam isso. Isso dobra o tempo de manuseio e aumenta o trabalho em andamento (WIP) no chão de fábrica. Eles perguntarão se podem simplesmente colocar as prateleiras de cura em uma geladeira para esfriá-las. Isso é arriscado. Se você resfriar o exterior rápido demais enquanto o interior reage, cria-se um gradiente térmico que leva a tensões internas massivas e rachaduras. Você pode usar ventiladores para mover o ar, mas a refrigeração ativa muitas vezes causa mais problemas do que resolve, incluindo condensação de umidade na superfície não curada, o que pode inibir a reação.

A Única Verdade é o Termopar

Você pode modelar isso, pode ler fichas técnicas e pode argumentar com os representantes do fornecedor. Mas há apenas uma maneira de saber se você está cozinhando seu circuito.

Você precisa sacrificar uma unidade.

Pegue uma placa com finalidade de produção e uma embalagem. Faça um furo na caixa ou insira uma sonda antes de despejar. Embeda um termopar do tipo K diretamente no centro da maior massa de epóxi, ou prenda com fita na carcaça do seu capacitor mais sensível. Despeje a substância de encapsulamento e conecte a sonda a um registrador de dados. Afastese e deixe curingar.

Quando voltar, observe a curva. Se você vir um pico atingindo 140°C ou 160°C, você tem a sua resposta. Nenhum debate teórico supera os dados do termopar. Esse gráfico é sua licença para exigir uma mudança de processo, uma troca de material ou uma reformulação. Até que tenha essa linha em um gráfico, você está apenas adivinhando, e a física espera para provar que você está errado.