Термодинамика отказа: почему компоненты подвергаются термической обработке

Вы тратите месяцы на оптимизацию целостности сигнала. Вы боретесь за каждый децибел уровня шума. Вы проверяете тепловое управление полевыми транзисторами с помощью сложных радиаторов и моделей воздушных потоков. Затем, в самом конце цепочки, вы передаете плату производству для заливки. Они смешивают двухкомпонентный эпоксидный состав, заливают его в корпус и ставят на стойку для отверждения.

Именно там вы теряете устройство.

Это не было коротким замыканием или багом в прошивке. Это была неспособность соблюдать уважение к агрессии химической реакции, которую вы только что инициировали. Заливка — это не просто «сушка» или «затвердение». Это экзотермическое событие полимеризации. Когда вы смешиваете часть А и часть В, вы начинаете пожар, который горит химически, а не окислительно. Если вы не управляете этим огнем, внутренняя температура заливки может легко превысить 180°C — сварив электролитические конденсаторы, расплавив резисторы и треснув ферритовые сердечники еще до выхода устройства с производства.

Физика злой химии

Основная ошибка большинства инженеров — считать, что температура внутри чаши для заливки совпадает с температурой печи или комнаты. Это опасно неправда. Реакция между эпоксидной смолой и ее отвердителем выделяет энергию. В тонком слое, например, в конформном покрытии, это тепло мгновенно рассеивается в воздух. Реакция остается прохладной. Но заливка — это массовый процесс. Вы заливаете толстое, теплоизоляционное покрытие из пластика вокруг теплового источника, которым является сам пластик.

Это создает побочный тепловой цикл, движимый уравнением Аррениуса: примерно при каждом увеличении температуры на 10°C скорость реакции удваивается. Когда эпоксидка реагирует, она выделяет тепло. Это тепло не может выйти, потому что эпоксидка — природный теплоизоляционный материал. Поэтому тепло остается внутри, повышая температуру. Чем выше температура, тем быстрее реагирует оставшаяся эпоксидка, создавая больше тепла, ускоряя реакцию еще больше. Это двигатель, который ускоряет сам себя, пока не исчерпает топливо или что-то не расплавит.

Вы можете думать, что в безопасности, потому что используете состав с «отверждением при комнатной температуре». Не обманывайте себя терминологией. «Комнатная температура» означает только то, что вам не нужен внешний печь для запуска реакции; это не значит, что материал остается при комнатной температуре. На самом деле, быстро застывающие эпоксидки «5-минутные» часто оказываются самыми опасными. Я видел, как техник смешивал ведро объемом 5 галлонов быстрой затвердевающей эпоксидки, планируя нанести ее за час. Через десять минут ведро превращалось в дымящийся вулкан, который расплавил собственную пластиковую облицовку и прилип к бетонному полу. Физика массовых эффектов не склонна идти на компромиссы.

Не путайте это с ошибкой замешивания. Да, если неправильно соблюдать соотношение, получится мягкая липкая масса, которая никогда не затвердеет. Это неудача, но это «безопасная» неудача. Более опасный сценарий — когда вы смешиваете его идеально, но недооцениваете массу. 100-граммовая чашка может достичь управляемой температуры в 60°C. Тот же материал, залитый в 2-литровое резервуар для высоковольтного питания, имеет значительно меньшее отношение поверхности к объему. Он не способен рассеять тепло. Температура ядра резко повышается, и вдруг у вас появляется реакторный сосуд на ваш рабочий стол.

Тихие убийцы: как умирают компоненты

Когда пики экзотермической реакции достигают максимума, повреждения редко заметны снаружи. Поверхность изоляционной смолы может выглядеть безупречно, возможно, чуть теплой на ощупь. Но глубоко внутри, где тепло некуда уходить, окружающая среда становится враждебной.

Возьмем стандартное монтажное устройство. На него припаяны конденсаторы 0402 на FR4. Когда пиковая температура экзотермической реакции достигает, скажем, 160°C, плата нагрета, но пайка держит. Однако, по мере завершения реакции эпоксид твердеет в жесткий твердотельный материал. Теперь вся масса начинает остывать до комнатной температуры. И тут возникает второй враг: несоответствие коэффициента теплового расширения (CTE). Эпоксид сжимается при охлаждении. Плата сжимается с другой скоростью. Керамический конденсатор практически не сжимается. В результате на пайки оказывается огромная сдвиговая сила. Я видел, как конденсаторы отрывались от своих контактных площадок или, что еще хуже, внутри трескались так, что сегодня они проходят тест на целостность, а через месяц, вибрации на поле заставляют их открываться.

Магнитные компоненты еще более уязвимы. Ферритовые сердечники — хрупкая керамика, которая полагается на определенные кристаллические структуры для поддержания индуктивности. Когда вы заключаете трансформатор в твердый непроницаемый эпоксид и вызываете экзотермическую реакцию, это фактически подвергает его тепловому шоку, за которым следует механический кризис. Если вы стоите в тихом производственном цеху после заливки партии блоков питания, иногда можно услышать тонкий ти-тинк звук трещащих ферритовых сердечников внутри охлаждающей смолы. Вы этого не увидите, но значения вашей индуктивности сдвинутся вне нормы, а эффективность блока питания упадет.

Батареи — это самая рискованная игра. Если вы заливаете 18650 в прототипный комплект, вы играете с огнем — буквально. Стандартные структурные эпоксиды легко достигают температур, которые расплавляют PVC-оболочку батарей (обычно rated на ~80°C до 100°C). Как только изоляция расплавится, элементы коротят друг с другом или с корпусом. Я видел блоки, которые не взорвались, но фактически были умершими при доставке, потому что тепловой процесс при заливке повредил сепараторы.

Ложь технической характеристики

Так почему же производитель не предупредил вас в техническом паспорте? Наверное, предупредил, но нужно уметь читать мелкий шрифт. Продавцы хотят продать вам эпоксид, поэтому они указывают «максимальный пиковый экзотермический эффект» в наиболее благоприятных условиях.

Обратите вниманием на метод испытаний. Обычно он ссылается на ASTM D2240 или аналогичный стандарт, и в сносках будет указана масса тестируемого образца. Чаще всего это 100 граммов. 100 граммов — это кофейная чашка. Это не 55-галлонный бочонок или глубокий корпус для высоковольтных устройств. Полагаться на это число для заливки большого объема — как считать, что костер и лесной пожар имеют одинаковую тепловую отдачу, потому что оба горят деревом.

Более того, продавцы часто тестируют в контейнере, хорошо проводящем тепло, или распределяют материал тонким слоем. В вашем изделии вы можете заливать в пластиковый корпус (изоляцию) вокруг печатной платы (изолятор). Теплу нет выхода. Технический паспорт — это не гарантия работы; это базовое измерение, сделанное в «Лабораторном мире». Вы живете в «Производственном мире», и коэффициенты масштабирования здесь нелинейны. Вы не можете точно предсказать пиковый экзотермический эффект вашей конкретной геометрии, делая линейное экстраполирование данных поставщика.

Смягчение: химический поворот

Если вы видите опасные уровни тепла, первым инструментом является химия. Вам нужен материал, который действует как теплоотвод, а не просто источник тепла.

Обычно это означает переход к системе с «высокой наполненностью». Эти эпоксиды наполнены термопроводящими наполнителями, такими как алюминий или кремнезем. Наполнители выполняют две функции: они проводят тепло из ядра к поверхности и вытесняют объем реактивной смолы. Если заливка содержит 50% наполнителя по весу, это означает, что в реакции участвует на 501TP6Т меньше химической реакции на кубический сантиметр. Обратная сторона — вязкость: наполненные материалы похожи на холодный мед — они медленно льются, но поддерживают низкую температуру пиков.

Вам также стоит полностью отказаться от использования эпоксидной смолы. Силиконы и уретаны обычно обладают значительно меньшей экзотермией. Особенно силиконы — очень терпимы к температуре отверждения и почти не нагружают компоненты, поскольку остаются мягкими (низкая твердость Shore A). Однако, перед переключением на силикон, помните, что силиконовые масла распространяются повсюду и могут вызывать сбои адгезии при покраске или нанесении покрытия. Они решают проблему тепла, но вводят риск загрязнения, с которым вам придется справляться.

Смягчение: изменение процесса

Если вам нужно использовать жесткий эпоксид и есть большой объем для заливки, вы не можете бороться с физикой реакции. Нужно изменить геометрию заливки.

Наиболее надежное (хотя и дорогое) решение — «Двухэтапная заливка». Вы заполняете устройство наполовину, покрывая менее чувствительные компоненты или просто основание. Вы позволяете этому слою застывать и остывать. Затем заливаете вторую половину. Разделение массы значительно снижает пики экзотермической реакции. Тепло от второго залития также может рассеиваться в первый слой, который выступает в роли теплоотвода.

Руководители производства этого не любят. Это удваивает время обработки и увеличивает рабочий запас (WIP) на производственной площадке. Они спросят, можно ли просто поместить стеллажи для отверждения в холодильник, чтобы их охладить. Это рискованно. Если быстро охладить внешнюю часть, пока внутренняя еще реагирует, создается тепловой градиент, ведущий к внутренним напряжениям и трещинам. Можно использовать вентиляторы для перемешивания воздуха, но активное охлаждение часто вызывает больше проблем, чем решает, включая конденсацию влаги на неполностью отверших поверхностях, что может препятствовать реакции.

Единственная правда — термопара

Вы можете моделировать это, читать технические характеристики и обсуждать с представителями поставщиков. Но есть только один способ понять, перегреваете ли вы плату.

Вам придется пожертвовать одним изделием.

Возьмите плату и корпус, предназначенные для производства. Просверлите отверстие в корпусе или вставьте датчик перед заливкой. Встроите термопару типа K прямо в центр самой большой массы эпоксидной смолы или закрепите ее скотчем на корпусе вашего самого чувствительного конденсатора. Залейте герметиком и подключите датчик к регистратору данных. Отойдите и позвольте материал застывать.

Когда вы вернётесь, посмотрите на кривую. Если увидите скачок температуры до 140°C или 160°C, у вас есть ответ. Никакие теоретические дебаты не заменят данных, полученных с помощью термопары. Эта графа — ваш лицензия требовать изменения процесса, смену материала или дизайн. Пока на графике не появится эта линия, вы просто угадываете, а физика готова доказать вам обратное.