Невидимый ток: почему флюс «без очистки» убивает срок службы вашей батареи

Математика разочарования

Таблица обещала десять лет. Маркетинговая презентация обещала десять лет. Тестовые образцы для инженерной проверки, находящиеся в кондиционированной лаборатории, всё ещё работают идеально. Однако в полевых условиях — возможно, в влажном коммунальном шкафу во Флориде или в сельскохозяйственной сенсорной сети на Среднеатлантическом побережье — устройства выходят из строя за шесть месяцев. Батареи разряжены.

Когда это происходит, инстинкт — обвинить источник энергии. Вы просматриваете журналы, проверяете заказы на покупку и убеждаете себя, что дистрибьютор прислал вам плохую партию CR2032. Вы предполагаете, что уровень саморазряда был завышен или что кривая температурного снижения была оптимистичной.

Почти никогда это не батарея. Современные литиевые первичные элементы от поставщиков Tier 1 — это удивительно стабильные химические двигатели. Если они разряжены, они не утратили энергию в эфир; они передали её нагрузке. Загвоздка в том, что нагрузка — это не ваш микроконтроллер и не радио. Это сама печатная плата.

Ложь о флюсе «без очистки»

Виновником обычно является неправильное понимание термина «No-Clean». В мире высокоскоростной цифровой электроники — например, Raspberry Pi или материнских плат ноутбуков — флюс «No-Clean» является стандартным, безопасным материалом. Он оставляет остаток, который химически достаточно безвреден, чтобы не вызвать короткое замыкание на линии питания 3,3 В с током в амперы. Импеданс этого остатка может быть в мегаомах, что для источника питания ЦПУ фактически является разомкнутой цепью.

Но вы не собираете ноутбук. Вы создаёте устройство с ультранизким энергопотреблением (ULP), где бюджет сна измеряется в наноамперах. В этой области «No-Clean» — маркетинговая выдумка. Остаток флюса, оставшийся после процесса пайки, состоит из ионных активаторов — кислот, предназначенных для удаления оксидов с медных площадок для обеспечения хорошего паяного соединения. Когда плата выходит из печи, этот остаток фактически затвердевает. Но он не инертен. Он гигроскопичен. Он впитывает влагу из воздуха.

По мере повышения влажности эта безвредная корка превращается в проводящий электролит. Речь не о прямом коротком замыкании. Речь о «мягком» коротком замыкании: паразитном сопротивлении около 10–50 мегаом. В устройстве с питанием от сети это шум. В устройстве, пытающемся спать при 500 нА, параллельное сопротивление в 20 мегаом между клеммами батареи или выключателем питания — катастрофа. Оно постоянно потребляет дополнительные 150 нА, 24 часа в сутки, независимо от состояния прошивки. Эта невидимая утечка крадёт ваши девять с половиной лет работы батареи.

Существует опасная тенденция пытаться исправить это конформным покрытием. Логика кажется разумной: если влагой вызвано, запечатайте плату. Но распыление уретана или акрила на плату, которая не была тщательно вымыта, — это не решение, а могила. Вы просто запираете ионные загрязнители и окружающую влагу под покрытием. Коррозия продолжится, теперь защищённая от ваших попыток очистки, а дендриты будут расти счастливо в своей частной теплице.

Невидимый мост: влажность и дендриты

Механизм отказа редко статичен. Он «дышит» вместе с окружающей средой. Вот почему вы не можете воспроизвести его на своём столе в кондиционированном офисе. Проводимость остатков флюса нелинейна и хаотична; она резко возрастает, когда относительная влажность пересекает порог, часто около 60-70%.

Рассмотрим обобщённый случай развертывания системы умного учёта. Устройства, установленные в климатически контролируемых серверных, служат вечно. Идентичные устройства, установленные в уличных корпусах, выходят из строя группами в сезон дождей. Под микроскопом иногда можно увидеть физические доказательства: дендритный рост. Это папоротниковидные металлические кристаллы, которые растут от катода к аноду, подпитываемые растворёнными ионами металла в остатках флюса. Им не нужно полностью замыкать зазор, чтобы навредить. Им достаточно снизить сопротивление изоляции настолько, чтобы разрядить батарею.

Эта миграция вызвана электрическим полем. Чем плотнее ваша компоновка — компоненты 0402, шаг 0,5 мм у BGA — тем выше напряжённость поля между контактами и тем быстрее происходит миграция. Остатки не обязательно должны быть видимы невооружённым глазом, чтобы быть фатальными. Монослой ионного загрязнения достаточно, чтобы замкнуть две площадки на микроконтроллере, пробуждая его из глубокого сна или просто стягивая ток с VCC на землю.

Ваш мультиметр вам лжёт

Частично причина сохранения этого режима отказа в том, что стандартные инженерные инструменты его не видят. Вы не сможете диагностировать утечку в 50 нА с помощью Fluke 87V. Стандартные портативные мультиметры имеют падение напряжения (burden voltage) — внутреннее падение напряжения, которое нарушает цепь, которую вы пытаетесь измерить. Хуже того, они усредняют ток. Они не видят динамическую природу утечки, которая может пульсировать или дрейфовать.

Если вы отлаживаете сверхнизкое энергопотребление батареи, вы должны использовать источник-измеритель (SMU), например Keithley 2450, или, по крайней мере, специализированный инструмент, такой как Joulescope. Вам нужно видеть нижний предел. Нужно убедиться, что когда ваша прошивка говорит «спать», ток действительно стабилен. Часто с правильным прибором вы увидите «ползучесть» — ток медленно растёт в течение минут, пока плата нагревается или остатки реагируют с окружающей средой. Если вы полагаетесь на стандартное показание мультиметра «0.00 uA», вы летите вслепую.

Мандат производства

Решение вы не найдёте в прошивке или в большей батарее. Его нужно искать на сборочном предприятии. Чистота должна рассматриваться как техническое требование, а не как деталь производства.

Если вы проектируете устройство с 10-летним сроком службы на монетной батарейке, вы не можете использовать стандартный процесс «No-Clean». Вы должны требовать мойку. И не просто окунание в ведро с изопропиловым спиртом — это только размазывает загрязнения. Вам нужна inline-водная мойка с сапонификаторами, затем ополаскивание деионизированной водой и сушка для удаления влаги.

Это будет борьба. Контрактные производители (CM) ненавидят линии мойки. Они дорогие, требуют обслуживания и замедляют производство. Они покажут вам технические паспорта от поставщика флюса, утверждающие, что он соответствует IPC-J-STD-001. Вы должны игнорировать это. Эти стандарты предназначены для общей электроники, а не для устройств, работающих на пределе физики.

Вы должны требовать тестирование методом ионной хроматографии. Вам нужны доказательства, что плата химически чиста, а не только визуально. Если CM отказывается или пытается навязать вам «лучший» No-Clean флюс, уходите. Стоимость правильного процесса мойки — копейки за плату. Стоимость выезда для замены вышедшего из строя устройства — сотни долларов. Посчитайте и заставьте провести мойку.