กระแสที่มองไม่เห็น: ทำไมฟลักซ์ “ไม่ต้องล้าง” ถึงทำลายอายุแบตเตอรี่ของคุณ

คณิตศาสตร์แห่งความผิดหวัง

สเปรดชีตสัญญาสิบปี สไลด์การตลาดสัญญาสิบปี หน่วยทดสอบการตรวจสอบทางวิศวกรรมที่นั่งอยู่ในห้องแล็บที่มีเครื่องปรับอากาศยังทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่ในสนาม—อาจจะในตู้เก็บอุปกรณ์ที่มีความชื้นสูงในฟลอริดาหรือเครือข่ายเซ็นเซอร์เกษตรกรรมในมิดแอตแลนติก—หน่วยเหล่านั้นตายภายในหกเดือน แบตเตอรี่หมด

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น สัญชาตญาณคือการโทษแหล่งพลังงาน คุณดึงบันทึกตรวจสอบใบสั่งซื้อ และโน้มน้าวตัวเองว่าผู้จัดจำหน่ายส่งชุด CR2032 ที่ไม่ดีมาให้คุณ คุณสมมติว่าอัตราการคายประจุเองถูกโกหก หรือเส้นโค้งการลดค่าตามอุณหภูมิเป็นไปในทางที่เกินจริง

แทบจะไม่เคยเป็นแบตเตอรี่เลย เซลล์ลิเธียมแบบพรีเมียมจากผู้ขายชั้นนำเป็นเครื่องยนต์เคมีที่สม่ำเสมออย่างน่าทึ่ง ถ้ามันหมด มันไม่ได้รั่วไหลพลังงานออกไปในอากาศ; มันส่งพลังงานไปยังโหลด สิ่งที่จับได้คือโหลดนั้นไม่ใช่ไมโครคอนโทรลเลอร์หรือวิทยุของคุณ แต่มันคือแผงวงจรเอง

คำโกหกของฟลักซ์ “ไม่ต้องทำความสะอาด”

ผู้ร้ายมักเป็นความเข้าใจผิดเกี่ยวกับคำว่า “ไม่ต้องทำความสะอาด” ในโลกของอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลความเร็วสูง—คิดถึง Raspberry Pi หรือเมนบอร์ดแล็ปท็อป—ฟลักซ์ “ไม่ต้องทำความสะอาด” เป็นวัสดุมาตรฐานและปลอดภัย มันทิ้งคราบที่เป็นสารเคมีที่ไม่เป็นอันตรายพอที่จะไม่ทำให้ไฟฟ้าลัดวงจรบนรางจ่ายไฟ 3.3V ที่มีกระแสไฟฟ้าหลายแอมป์ ความต้านทานของคราบนั้นอาจอยู่ในระดับเมกะโอห์ม ซึ่งสำหรับแหล่งจ่ายไฟ CPU นั้นเทียบเท่ากับวงจรเปิด

แต่คุณไม่ได้สร้างแล็ปท็อป คุณกำลังสร้างอุปกรณ์พลังงานต่ำมาก (ULP) ที่งบประมาณการนอนหลับถูกวัดเป็นนาโนแอมป์ ในโดเมนนี้ “ไม่ต้องทำความสะอาด” เป็นการสร้างภาพทางการตลาด คราบฟลักซ์ที่เหลือจากกระบวนการรีโฟลว์ประกอบด้วยสารกระตุ้นไอออนิก—กรดที่ออกแบบมาเพื่อกัดกร่อนออกไซด์บนแผ่นทองแดงเพื่อให้แน่ใจว่าการบัดกรีดี เมื่อแผงวงจรออกจากเตา คราบนั้นจะแข็งตัวอย่างมีประสิทธิภาพ แต่มันไม่เฉื่อย มันดูดซับความชื้นจากอากาศ

เมื่อความชื้นเพิ่มขึ้น คราบที่ไม่เป็นอันตรายนั้นจะกลายเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่นำไฟฟ้า เราไม่ได้พูดถึงการลัดวงจรแบบตายตัว เรากำลังพูดถึงการลัดวงจรแบบ “อ่อน”: ความต้านทานปรสิตที่อยู่ราว 10 ถึง 50 เมกะโอห์ม ในอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าจากสายหลัก นี่คือเสียงรบกวน ในอุปกรณ์ที่พยายามนอนหลับที่ 500nA ความต้านทานขนาน 20 เมกะโอห์มข้ามขั้วแบตเตอรี่หรือสวิตช์ไฟฟ้าของคุณคือหายนะ มันดึงกระแสเพิ่มอีก 150nA อย่างต่อเนื่อง 24 ชั่วโมงต่อวัน ไม่ว่าจะอยู่ในสถานะเฟิร์มแวร์ใด การรั่วไหลที่มองไม่เห็นนี้คือสิ่งที่ขโมยอายุแบตเตอรี่เก้าปีครึ่งของคุณ

มีแนวโน้มอันตรายที่จะพยายามแก้ไขด้วยการเคลือบแบบคอนฟอร์มอล ตรรกะดูเหมือนจะสมเหตุสมผล: ถ้าความชื้นเป็นตัวกระตุ้น ให้ปิดผนึกแผงวงจร แต่การพ่นยูรีเทนหรืออะคริลิกบนแผงที่ไม่ได้ล้างอย่างเข้มงวดไม่ใช่ทางแก้—มันคือหลุมฝังศพ คุณเพียงแค่กักเก็บสารปนเปื้อนไอออนิกและความชื้นในบรรยากาศไว้ใต้การเคลือบ การกัดกร่อนจะดำเนินต่อไป ตอนนี้ได้รับการปกป้องจากความพยายามทำความสะอาดของคุณ และเดนไดรต์จะเติบโตอย่างมีความสุขในเรือนกระจกส่วนตัวของพวกมัน

สะพานที่มองไม่เห็น: ความชื้นและเดนไดรต์

กลไกความล้มเหลวมักไม่คงที่ มันหายใจตามสภาพแวดล้อม นี่คือเหตุผลที่คุณไม่สามารถทำซ้ำมันบนโต๊ะทำงานในสำนักงานที่มีเครื่องปรับอากาศได้ ความนำไฟฟ้าของคราบฟลักซ์ไม่เป็นเชิงเส้นและวุ่นวาย; มันพุ่งสูงเมื่อความชื้นสัมพัทธ์ข้ามเกณฑ์ มักจะอยู่ราว 60-70%

พิจารณากรณีทั่วไปของการติดตั้งมาตรวัดอัจฉริยะ หน่วยที่ติดตั้งในห้องเซิร์ฟเวอร์ที่ควบคุมอุณหภูมิจะใช้งานได้นานมาก หน่วยเดียวกันที่ติดตั้งในตู้ภายนอกจะล้มเหลวเป็นกลุ่มในช่วงฤดูฝน ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ คุณบางครั้งจะเห็นหลักฐานทางกายภาพ: การเจริญเติบโตแบบเดนไดรต์ ซึ่งเป็นผลึกโลหะที่คล้ายเฟิร์นที่เติบโตจากขั้วลบไปยังขั้วบวก โดยได้รับพลังงานจากไอออนโลหะที่ละลายในสารตกค้างของฟลักซ์ พวกมันไม่จำเป็นต้องเชื่อมช่องว่างทั้งหมดเพื่อทำลายคุณ พวกมันเพียงแค่ลดความต้านทานฉนวนให้เพียงพอที่จะทำให้แบตเตอรี่รั่วไหล

การเคลื่อนที่นี้ถูกขับเคลื่อนโดยสนามไฟฟ้า ยิ่งการจัดวางของคุณแน่น—ชิ้นส่วน 0402, พิน BGA ระยะห่าง 0.5 มม.—ความแรงของสนามระหว่างพินจะยิ่งสูงขึ้น และการเคลื่อนที่จะเกิดขึ้นเร็วขึ้น สารตกค้างไม่จำเป็นต้องมองเห็นด้วยตาเปล่าเพื่อที่จะเป็นอันตราย ชั้นเดียวของการปนเปื้อนไอออนก็เพียงพอที่จะเชื่อมแผ่นสองแผ่นบนไมโครคอนโทรลเลอร์ ทำให้มันตื่นจากโหมดหลับลึกหรือเพียงแค่ทำให้กระแสไหลจาก VCC ไปยังกราวด์

มัลติมิเตอร์ของคุณกำลังโกหกคุณ

ส่วนหนึ่งของเหตุผลที่โหมดความล้มเหลวนี้ยังคงอยู่คือเครื่องมือวิศวกรรมมาตรฐานไม่สามารถตรวจจับได้ คุณไม่สามารถวินิจฉัยการรั่วไหล 50nA ด้วย Fluke 87V มัลติมิเตอร์แบบพกพามาตรฐานมีแรงดันตกคร่อม—แรงดันภายในที่รบกวนวงจรที่คุณพยายามวัด ยิ่งกว่านั้น มันจะเฉลี่ยกระแสไฟฟ้า ทำให้ไม่สามารถเห็นลักษณะไดนามิกของการรั่วไหลที่อาจเป็นแบบพัลส์หรือเลื่อน

ถ้าคุณกำลังดีบักอายุแบตเตอรี่ ULP คุณต้องใช้เครื่องวัดแหล่งจ่ายไฟ (SMU) เช่น Keithley 2450 หรืออย่างน้อยที่สุด เครื่องมือเฉพาะอย่าง Joulescope คุณต้องเห็นระดับต่ำสุด คุณต้องยืนยันว่าเมื่อเฟิร์มแวร์ของคุณบอกว่า “หลับ” กระแสไฟฟ้าจริงๆ แล้วคงที่ บ่อยครั้งด้วยเครื่องมือที่เหมาะสม คุณจะเห็น “การเลื้อย” — กระแสที่เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ ในช่วงนาทีเมื่อบอร์ดร้อนขึ้นหรือเมื่อสารตกค้างตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม หากคุณพึ่งพาการอ่านมัลติมิเตอร์มาตรฐานที่แสดง “0.00 uA” คุณกำลังทำงานโดยไม่มีข้อมูล

คำสั่งการผลิต

คุณจะไม่พบทางแก้ในเฟิร์มแวร์หรือแบตเตอรี่ที่ใหญ่กว่า คุณจะพบในโรงงานประกอบ ความสะอาดต้องถูกปฏิบัติเป็นข้อกำหนดการออกแบบ ไม่ใช่รายละเอียดการผลิต

ถ้าคุณกำลังสร้างเพื่ออายุการใช้งาน 10 ปีบนโคอินเซลล์ คุณไม่สามารถใช้กระบวนการ “No-Clean” มาตรฐานได้ คุณต้องกำหนดให้มีการล้าง และไม่ใช่แค่จุ่มในถัง IPA — นั่นแค่ทำให้ไขมันกระจาย คุณต้องการการล้างด้วยน้ำแบบต่อเนื่องพร้อมสารทำละลายไขมัน ตามด้วยการล้างด้วยน้ำ DI และอบแห้งเพื่อลบความชื้น

นี่จะเป็นการต่อสู้ ผู้ผลิตตามสัญญา (CMs) เกลียดสายการล้าง เพราะมีราคาแพง ต้องบำรุงรักษา และทำให้สายการผลิตช้าลง พวกเขาจะโชว์แผ่นข้อมูลจากผู้ขายฟลักซ์ที่อ้างว่าผ่านมาตรฐาน IPC-J-STD-001 คุณต้องไม่สนใจสิ่งนี้ มาตรฐานเหล่านั้นสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป ไม่ใช่อุปกรณ์ที่อยู่บนขอบของฟิสิกส์

คุณต้องเรียกร้องการทดสอบโครมาโตกราฟีไอออน คุณต้องมีหลักฐานว่าบอร์ดสะอาดทางเคมี ไม่ใช่แค่สะอาดทางสายตา หาก CM ปฏิเสธ หรือพยายามขายฟลักซ์ “No-Clean” ที่ “ดีกว่า” ให้คุณ ให้เดินจากไป ค่าใช้จ่ายของกระบวนการล้างที่เหมาะสมคือเพียงไม่กี่สตางค์ต่อบอร์ด ค่าใช้จ่ายของการส่งช่างไปเปลี่ยนหน่วยที่เสียในสนามคือหลายร้อยดอลลาร์ คำนวณดู แล้วบังคับให้ล้าง