Высокая цена «неразрушимости»: руководство по ремонтопригодной защите

В промышленной электронике существует соблазнительная логика подхода «черного кирпича». Вы берете совершенно исправную печатную плату, помещаете ее в корпус и заливаете двухкомпонентным эпоксидным клеем до тех пор, пока сборка не будет выглядеть как окаменелость, застывшая в янтаре. Это кажется надежным. Это кажется защищенным. И для определенного класса устройств — дешевых, одноразовых или предназначенных для работы на дне Марианской впадины — это правильный инженерный выбор. Но для высокоценных промышленных плат управления, медицинских приборов или авиационной электроники полное заливание часто является просто дорогим признанием ошибки в механическом проектировании.

Когда полностью залитое устройство выходит из строя в полевых условиях, оно не генерирует заявку на ремонт; оно генерирует отчет о списании. Рассмотрим партию телематических устройств, заключенных в твердый уретан, такой как Stycast 2651. Если ошибка прошивки требует изменения аппаратной перемычки или если один резистор 0402 трескается во время термического цикла, устройство фактически становится неисправным. Техник не может просто заменить компонент. Ему приходится становиться археологом, используя микрофрезу для удаления заливочного материала, вдыхая пыль и рискуя повредить медные дорожки при каждом проходе инструмента. Стоимость труда для восстановления этой платы часто превышает $150 в час, быстро превосходя стоимость самого оборудования. «Прочный» выбор становится единственной точкой экономического сбоя.

Однако не обязательно оставлять плату голой. Лучший путь — выборочное усиление. Цель — отделить защиту от окружающей среды от механической стабилизации. Переходя от стратегии «погребения» к стратегии «якорения», вы сохраняете возможность осмотра, тестирования и ремонта устройства, значительно снижая общую стоимость владения в течение жизненного цикла продукта.

Физика усталости: припой — это не клей

Основным врагом промышленной электроники редко бывает влага; это вибрация. Инженеры часто одержимы рейтингами IP и влажностью, опасаясь, что капля воды замкнет микроконтроллер. Хотя это и происходит, гораздо более коварным убийцей является усталость металла, вызванная гармонической вибрацией. Тяжелый компонент на печатной плате по сути является массой на пружине. «Пружиной» служат медные выводы и паяные соединения.

Припой — это сложный металлургический сплав, предназначенный для обеспечения электрической проводимости, а не механической прочности конструкции. Он имеет низкую прочность на растяжение и быстро упрочняется при циклических нагрузках. Когда тяжелый тороидальный индуктор или большой электролитический конденсатор удерживаются на плате только выводами, создается плечо момента. Поместите такую плату на буровую установку или грузовик, и вибрация со временем утомит медные выводы до тех пор, пока они не сломаются заподлицо с поверхностью платы. Ни одно количество конформного покрытия этого не остановит.

На самом деле многие инженеры путают защиту от проникновения с демпфированием вибрации. Они просят «водонепроницаемость», когда им на самом деле нужна механическая стабилизация. Если корпус выполняет свою функцию (IP67 или аналогично), покрытие должно лишь справляться с конденсатом. Настоящая задача — остановить вибрацию индукторов, которая приводит к их разрушению.

Посмотрите на режим отказа платы управления частотным преобразователем в условиях высокой вибрации. Часто можно увидеть чистые переломы выводов тяжелых компонентов, в то время как легкие поверхностные компоненты остаются совершенно целыми. Отказ не случайный. Это прямой расчет массы относительно жесткости выводов. Если компонент высокий, тяжелый и удерживается тонкими металлическими ножками, это настоящая бомба замедленного действия. Вместо того чтобы заливать всю плату смолой, вы механически связываете эту конкретную массу с подложкой платы с помощью клея, предназначенного для этой задачи.

Стратегическое закрепление: опорные точки

Здесь на сцену выходит «закрепление» — нанесение структурного клея на основание или боковые стороны тяжелых компонентов. Это деятельность с наивысшей отдачей инвестиций для повышения прочности платы. Добавляя валик клея (например, УФ-отверждаемый акрил или высоковязкий силикон) по периметру тяжелого конденсатора, вы полностью меняете механику. Вибрационная нагрузка передается через тело клея на ламинированный FR4, а не через хрупкие медные выводы.

Часто в промышленных условиях возникает рефлекторная реакция против силикона, что является пережитком тех времен, когда силиконы с уксуснокислым отверждением корродировали медь, а летучие выделения загрязняли контакты реле. Эти опасения в значительной степени устарели. Современные нейтральные RTV (отверждаемые при комнатной температуре) и материалы для закрепления с УФ-отверждением специально разработаны, чтобы избежать этих проблем. Риск не использовать их — когда тяжелый конденсатор отрывается — гораздо выше, чем риск загрязнения, при условии правильного выбора материала.

Однако клей эффективен только при правильной подготовке поверхности. Нельзя просто нанести клей на пыльную плату и ожидать, что он удержится. В одном случае с солнечными инверторами уровень отказов в полевых условиях резко возрос, потому что сборочный цех наносил RTV прямо на неочищенные остатки флюса без очистки. Силикон не прилипал к плате, он прилипал к грязи на плате. При вибрации клей отшелушивался, и конденсаторы отрывались. Простая проверка поверхностной энергии — с помощью дайн-пенов или строгого контроля процесса — могла бы сэкономить сотни тысяч долларов на гарантийных претензиях. Правило простое: очистите место нанесения клея и убедитесь, что клей образует скругление, соединяющее корпус компонента с поверхностью платы. Никогда не клеите выводы; клеите корпус.

Компромисс BGA: угловое крепление

Массивы с шариковыми контактами (BGA) представляют собой уникальную задачу. В мобильной электронике (телефоны, планшеты) отраслевым стандартом является капиллярное заполнение (CUF) — низковязкий эпоксидный клей, который заполняет пространство под чипом, фиксируя его на плате. Это отлично защищает от падений, но является кошмаром для промышленного ремонта. Если BGA нужно заменить, удаление полностью заполненного чипа обычно приводит к отрыву контактных площадок и повреждению печатной платы.

Для промышленного оборудования, где основными нагрузками являются термические циклы и вибрация, а не падения на тротуар, лучшей стратегией является «угловое склеивание» (или склеивание по краям). Вместо заполнения всего пространства под чипом наносят высоковязкий клей в четырех углах корпуса BGA. Это фиксирует корпус на плате, предотвращая трещины в шариках припоя при изгибе платы или вибрации.

Преимущество углового склеивания в его проверяемости. При полном заполнении под чипом нельзя увидеть, что происходит под ним. Могут быть пустоты в эпоксиде, создающие горячие точки, о которых узнаешь только при разрушительном сечении или дорогостоящем рентгеновском анализе. При угловом склеивании центр массива остается открытым. Остатки флюса могут выделять газы во время пайки без захвата (частая причина «попкорнинга» в заполненных деталях). Если чип выходит из строя, техник может отрезать четыре угла клея, перепаять деталь и заменить ее без повреждения контактных площадок. Вы получаете 80% механической защиты заполнения с 100% возможностью ремонта.

Химия как функция ремонтопригодности

После того как механическая часть с закреплением и склеиванием выполнена, можно заняться защитой от окружающей среды с помощью конформного покрытия. Здесь химия, которую вы выбираете, определяет ремонтопригодность продукта. Многие инженеры по умолчанию выбирают уретановые покрытия, потому что они прочные и устойчивы к растворителям. Но спросите себя: хотите чтобы покрытие было устойчиво к растворителям?

Если плата не проходит прогон на выгорание или требует ремонта в полевых условиях, уретановое покрытие становится препятствием. Его часто приходится удалять с помощью агрессивных стрипперов или механического истирания, что повреждает компоненты. Акриловые покрытия (например, Humiseal 1B31 или аналогичные) легко растворяются. Техник может взять растворитель в виде ручки, растворить покрытие над конкретной точкой тестирования или компонентом, выполнить ремонт и затем заново покрыть только эту область.

Мы наблюдали это на контрактном производителе в Шэньчжэне, где переход с уретана на акрил превратил катастрофу по выходу продукции в управляемый процесс. Техники по ремонту могли при необходимости паять прямо через акриловое покрытие (оно ужасно пахнет, но работает) или стереть его за секунды. Восстановление выхода продукции выросло с почти нуля до более чем 95%. Если ваше устройство не предназначено для среды с конкретными химическими угрозами, растворяющими акрилы (например, пары топлива или агрессивные моющие средства), ремонтопригодность акрилов обычно перевешивает долговечность уретанов.

Симуляция доработки

Упрочнение выглядит как инженерная задача, но на самом деле это экономический расчет. Вы должны провести «симуляцию ремонта» в уме на этапе проектирования. Представьте техника со стандартным паяльником и микроскопом, пытающегося починить вашу плату. Может ли он проверить тестовые точки? Может ли заменить главный микроконтроллер?

Если стоимость материалов (BOM) платы ниже 50, возможно, вам все равно. Залейте ее, запечатайте, и если она сломается, отправьте в шредер. Но если плата стоит 500 или 2 000 и является частью критической промышленной системы, каждое препятствие для техника по ремонту — это ответственность. Используя закрепление для массы, угловое склеивание для BGA и ремонтопригодные покрытия для поверхности, вы создаете продукт, который выживает в полевых условиях, но не должен там погибать.