A Termodinâmica da Falha: Por que o Potting Queima Sua Placa

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

É exatamente aí que você perde a unidade.

Não foi um curto-circuito elétrico nem um bug 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 com a Parte B, inicia um fogo que queima quimicamente, não de forma oxidativa. 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 fábrica.

A Física da Química do Contra

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 é perigosamente errado. A reação entre uma resina epóxi e seu endurecedor libera energia. Em um filme fino, como uma camada conformante, esse calor dissipa-se instantaneamente no ar. A reação permanece fria. Mas o encapsulamento é um processo em volume. Você está derramando uma camada espessa e isolante de plástico ao redor de uma fonte de calor, que é o próprio plástico.

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

Você pode achar que está seguro porque está usando uma formulação de 'Cura à Temperatura Ambiente'. Não deixe o termo enganar você. 'Temperatura Ambiente' só significa que você não precisa de um forno externo para iniciar a reação; não significa que o material permaneça na temperatura ambiente. Na verdade, epóxis de cura rápida de '5 minutos' costumam ser os maiores ofensores violentos. Vi um técnico misturar um balde de 5 galões de epóxi de cura rápida, pretendendo colocá-lo por colheradas ao longo de uma hora. Em dez minutos, o balde virou um vulcão fumegante que derreteu seu próprio forro de plástico e 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, obterá uma bagunça mole e gelatinosa que nunca cura. Isso é uma falha, mas é uma falha “segura”. O cenário muito mais perigoso é quando você mistura corretamente, mas subestima a massa. Uma xícara de 100 gramas pode atingir um pico de temperatura gerenciável de 60°C. O mesmo material, despejado em um reservatório de 2 litros para uma fonte de alimentação de alta voltagem, tem uma relação superfície-área por volume muito menor. Ele não consegue dissipar o calor. A temperatura do núcleo dispara, e de repente você tem um vaso reator na sua bancada. perfeitamente, mas subestime a massa. Uma xícara de 100 gramas pode atingir um pico de temperatura gerenciável de 60°C. O mesmo material, despejado em um reservatório de 2 litros para uma fonte de energia de alta voltagem, tem uma relação superfície-área por volume muito menor. Ele não consegue dissipar o calor. A temperatura do núcleo dispara, e de repente você tem um vaso reator na sua bancada.

Assassinos Silenciosos: Como os Componentes Morrem

Quando o pico de exotermia acontece, o dano dificilmente é visível por fora. A superfície da peça pode parecer intocada, talvez um pouco quente ao toque. Mas lá no fundo, onde o calor não tinha para onde ir, o ambiente tornou-se hostil.

Pegue um conjunto padrão montado na superfície. Você tem capacitores 0402 soldados em FR4. Quando a exotermia do epóxi atinge seu pico — digamos 160°C — a placa está quente, mas a solda mantém. No entanto, conforme a reação termina, o epóxi endurece e se torna uma sólido rígido. Agora toda a massa começa a esfriar até atingir a temperatura ambiente. Agora você enfrenta o segundo problema mortal: o desajuste do Coeficiente de Expansão Térmica (CET). O epóxi encolhe ao esfriar. A PCB encolhe em uma taxa diferente. O capacitor cerâmico quase não encolhe. O resultado é uma força de cisalhamento enorme aplicada diretamente às juntas de solda. Já vi capacitores arrancados de suas pads ou, pior, rachados internamente, de modo que passam no teste de continuidade hoje, mas falham 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 indutância. Quando você envolve um transformador em um epóxi duro e não preenchido e permite que ele exote, você está essencialmente submetendo-o a um choque térmico seguido de uma morsa mecânica esmagadora. Se você estiver em uma zona de produção tranquila após um lote de fontes de alimentação ter sido encapsulado, às vezes consegue ouvir o tênue som de rachaduras dentro dos núcleos de ferrite enquanto eles se quebram dentro da resina de resfriamento. Você não verá isso, mas seus valores de indutância irão drifting fora da especificação, e a eficiência da sua fonte de alimentação cairá drasticamente. tink tink som de núcleos de ferrite rachando dentro da resina de resfriamento. Você não verá, mas seus valores de indutância irão variar fora do especificado, e a eficiência da sua fonte de alimentação despencará.

Baterias são a maior aposta aqui. Se você estiver encapsulando células 18650 para um pacote de protótipo, você está mexendo com fogo — literalmente. Epóxis estruturais padrão podem facilmente atingir temperaturas que derretem a película de PVC ao redor das células (normalmente classificada para cerca de 80°C a 100°C). Assim que esse isolamento derrete, as células dão 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 Ficha Técnica

Então por que a folha de dados não avisou você? Provavelmente avisou, mas você precisa saber ler as letras miúdas. Os fornecedores querem vender epóxi a você, então listam o “ Pico de Exotermia” nas condições mais favoráveis possíveis.

Observe atentamente o método de teste. Geralmente, cita ASTM D2240 ou uma norma similar, e em algum lugar nas notas de rodapé, especifica a massa da amostra de teste. Quase sempre são 100 gramas. 100 gramas é uma xícara de café. Não é um tambor de 55 galões ou uma caixa de alta tensão de seção profunda. Confiar nesse número para uma fundição de grande volume é como assumir que uma fogueira e um incêndio florestal têm a mesma produção térmica porque ambos estão queimando madeira.

Além disso, os fornecedores costumam testar em um recipiente que conduz calor bem, ou espalhar o material em uma camada fina. No seu produto, você pode estar despejando em uma caixa de plástico (isolante) ao redor de uma placa de circuito impresso (PCB) (isolante). O calor não tem caminho de escape. A folha de dados não é uma garantia de desempenho; é uma medição de baseline feita em “Lab World”. Você vive no “Production World”, e os fatores de escala aqui são não lineares. Você não pode prever o pico exato de exotermia da sua geometria específica usando uma extrapolação linear dos dados do fornecedor.

Mitigação: O Pivô da Química

Se você estiver vendo níveis perigosos de calor, seu primeiro recurso é a química. Você precisa de um material que funcione como um dissipador de calor, e não apenas como um gerador de calor.

Isso geralmente significa passar para um sistema “altamente preenchido”. Esses epóxis são carregados com cargas condutoras térmicas, como alumina ou sílica. As cargas fazem duas coisas: conduzem calor do núcleo para a superfície, e deslocam o volume da resina reativa. Se um molde tiver 50% de preenchimento por peso, isso significa que há 50% menos reação química ocorrendo por centímetro cúbico. A troca é na viscosidade — materiais preenchidos são como despejar mel frio —, mas manterão suas temperaturas máximas sob controle.

Você também pode considerar deixar o epóxi completamente de lado. Silicones e urethanes geralmente têm exotermas muito menores. Os silicones, em particular, são muito indulgentes na temperatura de cura e colocam quase nenhuma pressão sobre os componentes porque permanecem macios (Baixa dureza Shore A). No entanto, antes de trocar para silicone, lembre-se de que óleos de silicone migram para todos os lugares e podem causar falhas de aderência em processos de pintura ou revestimento a jusante. Resolvem o problema do calor, mas introduzem um risco de contaminação que você deve gerenciar.

Mitigação: O Pivô do Processo

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

A solução mais confiável (embora cara) é o "Vazamento em duas etapas". Você preenche a unidade até a metade, cobrindo os componentes menos sensíveis ou apenas a base. Deixa essa camada gelar e esfriar. Então você despeja a segunda metade. Ao dividir a massa, você reduz significativamente o pico de exotherm. O calor da segunda vertente também pode dissipar-se na primeira camada, que atua como um dissipador de calor.

Os gerentes de produção odeiam isso. Pode aumentar o tempo de manuseio e o trabalho em andamento (WIP) na fábrica. Eles vão perguntar se podem apenas colocar as racks de cura na geladeira para resfriá-los. Isso é arriscado. Se você resfriar demais o exterior enquanto o interior reage, cria um gradiente térmico que leva a estresse interno massivo e rachaduras. Pode-se usar ventiladores para movimentar o ar, mas a refrigeração ativa frequentemente 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 sua placa.

Você precisa sacrificar uma unidade.

Pegue uma placa e uma caixa de produção. Faça um furo na caixa ou insira uma sonda antes de vertir. Incorpore um termopar do tipo K diretamente no centro da maior massa de epóxi, ou cole-o na carcaça do seu capacitor mais sensível. Vertar o composto de encapsulamento e conectar a sonda a um registrador de dados. Vá embora e deixe curar.

Quando retornar, olhe para o gráfico. Se você vir um pico atingindo 140°C ou 160°C, você tem a sua resposta. Nenhuma quantidade de debate teórico substitui os dados do termopar. Esse gráfico é sua licença para exigir uma mudança de processo, uma troca de material ou um redesenho. Até que você tenha essa linha em um gráfico, você está apenas adivinhando, e a física está esperando para provar que você está errado.