อุณหพลศาสตร์ของความล้มเหลว: ทำไมการบรรจุแผ่นวงจรถึงทำให้บอร์ดของคุณพัง

คุณใช้เวลาหลายเดือนในการปรับปรุงคุณภาพสัญญาณ คุณต่อสู้เพื่อเสียงรบกวนทุกเดซิเบล คุณตรวจสอบการจัดการความร้อนของ FETs ด้วยฮีทซิงก์และโมเดลลมถ่ายเทอากาศอย่างละเอียด จากนั้น สิ้นสุดสายการผลิตคุณส่งบอร์ดไปยังการผลิตเพื่อใส่ลงในถาด พวกเขาผสมอีพ็อกซี่สองส่วน เทใส่ในที่อยู่อาศัย และวางบนชั้นเพื่อให้แข็งตัว

นั่นคือจุดที่คุณแพ้หน่วยนั้น

มันไม่ใช่การลัดวงจรไฟฟ้าหรือบั๊กเฟิร์มแวร์ มันคือความล้มเหลวในการเคารพความรุนแรงของปฏิกิริยาเคมีที่คุณเพิ่งเริ่มต้นขึ้น การใส่หุ้มไม่ได้เป็นเพียงการ “แห้ง

ฟิสิกส์ของเคมีที่โกรธแค้น

ข้อผิดพลาดพื้นฐานที่วิศวกรส่วนใหญ่มักทำคือสมมติว่าอุณหภูมิภายในถ้วยบ่มตรงกับเตาอบหรือห้อง สิ่งนี้เป็นความผิดพลาดอย่างอันตราย ปฏิกิริยาระหว่างเรซินอะครีลิกกับตัวแข็งตัวปล่อยพลังงาน อัลตร้าทีฟิล์ม เช่นเคลือบเคส โฟล์ตเข้ากับอากาศอย่างรวดเร็ว ความร้อนนั้นยังคงเย็นอยู่ แต่กระบวนการ

สิ่งนี้สร้างวงจรความร้อนแบบ runaway ซึ่งขับเคลื่อนโดยสมการอาเรเนียส: สำหรับทุกการเพิ่มอุณหภูมิประมาณ 10°C อัตราเร็วของปฏิกิริยาเคมีสองเท่า เมื่ออีโพกซีทำปฏิกิริยา มันจะสร้างความร้อน ความร้อนนี้ไม่สามารถปล่อยออกไปได้เพราะอีโพกซีเป็นฉนวนความร้อนธรรมชาติ ดังนั้น ความร้อนจึงคงอยู่ในแกนกลาง ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทำให้อีโพกซีที่เหลือทำปฏิกิริยาเร็วขึ้น และสร้าง มากขึ้น ความร้อน ซึ่งขับเคลื่อนปฏิกิริยาให้รุนแรงขึ้น มันเป็นเครื่องยนต์ที่เร่งตัวเองจนหมดเชื้อเพลิงหรือหลอมบางสิ่งบางอย่าง

คุณอาจคิดว่าปลอดภัยเพราะคุณใช้สูตร “การแข็งตัวที่อุณหภูมิห้อง” อย่าให้คำศัพท์หลอกคุณ “อุณหภูมิห้อง” หมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องใช้เตาอบภายนอกเพื่อเริ่มปฏิกิริยา; มันไม่หมายความว่าวัสดุจะคงอยู่ที่อุณหภูมิห้อง เท่าที่ฉันเห็นแล้ว อีโพกซีที่ตั้งไว้เร็วใน 5 นาที มักจะเป็นผู้กระทำความรุนแรงที่สุด ฉันเคยเห็นเทคนิคเกอร์ผสมอีโพกซีความเร็วสูงในถังขนาด 5 แกลลอน ด้วยเจตนาจะบรรจุลงไปในชั่วโมง ภายในสิบชั่วโมง ถังนั้นกลายเป็นภูเขาไฟควันที่ละลายชั้นพลาสติกของมันเองและเชื่อมต่อกับพื้นคอนกรีต ฟิสิกส์ของมวลไม่เจรจา

อย่าเข้าใจผิดว่าเป็นความผิดพลาดในการผสม ผสมในอัตราส่วนผิด คุณจะได้ของแข็งเหนียว นิ่ม ที่ไม่เคยแข็งตัว นั่นเป็นความล้มเหลว แต่เป็นความล้มเหลวที่ "ปลอดภัย" สถานการณ์ที่อันตรายกว่ามากคือเมื่อคุณผสมมัน อย่างสมบูรณ์แบบ, แต่ประเมินน้ำหนักผิด ถ้วย 100 กรัมอาจขึ้นสูงสุดที่ 60°C วัสดุเดียวกันนี้ เมื่อเทลงในถังเก็บความจุ 2 ลิตรสำหรับแหล่งจ่ายไฟแรงสูง มีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรต่ำกว่ามาก มันไม่สามารถปล่อยความร้อนออกได้ อุณหภูมิแกนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และจู่ๆ คุณก็มีภาชนะปฏิกิริยานั่งอยู่บนโต๊ะทำงานของคุณ

นักฆ Silent: องค์ประกอบตายอย่างไร

เมื่อการปล่อยความร้อนระเบิดขึ้น ความเสียหายแทบมองไม่เห็นจากภายนอก พื้นผิวของการบรรจุอาจดูเรียบร้อย อาจจะอุ่นเล็กน้อย แต่ลึกเข้าไปในที่ซึ่งความร้อนไม่มีทางไป สภาพแวดล้อมได้กลายเป็นเป็นพื้นที่เป็นอันตราย

ตัวอย่างการประกอบแบบมาตรฐานบนพื้นผิว คุณมีคาปาซิเตอร์ 0402 ที่บัดกรีบน FR4 ในช่วงที่การปล่อยความร้อนของเรซิ่นถึงจุดสูงสุด — สมมติว่า 160°C แผงวงจรจะร้อนจัด แต่การบัดกรียังคงอยู่ แต่เมื่อปฏิกิริยายุติ เรซิ่นจะกลายเป็นของแข็งแข็ง ตัวเนื้อแข็งของวัสดุ ตอนนี้มวลทั้งหมดเริ่มเย็นลงสู่ อุณหภูมิห้อง ตอนนี้คุณต้องรับมือกับอีกหนึ่งปัญหา: ความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เรซิ่นจะหดตัวเมื่อเย็นลง ในขณะที่แผงวงจร PCB หดตัวในอัตราที่ต่างกัน คาปาซิเตอร์เซรามิกไม่ค่อยหดตัวมาก ผลลัพธ์คือแรงเฉือนขนาดใหญ่ที่ถูกประยุกต์ตรงไปยังข้อต่อบัดกรี ฉันเคยเห็นคาปาซิเตอร์ฉีกออกจากแผ่นปิด หรือแย่กว่านั้น แตกภายใน เพื่อให้ผ่านการทดสอบความต่อเนื่องในวันนี้ แต่ล้มเหลวในการเปิดในภายหลังหลังจากสั่นสะเทือนใน campo เป็นเวลาหนึ่งเดือน

ส่วนประกอบแม่เหล็กก็เปราะบางมากขึ้น คอร์เฟอร์ไรต์เป็นเซรามิกที่เปราะ ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างผลึกเฉพาะเพื่อรักษาคุณสมบัติการเหนี่ยวนำ เมื่อคุณห่อหม้อแปลงด้วยเรซิ่นแข็งและไม่เติมเต็มและปล่อยให้มันปล่อยความร้อน คุณกำลังเสี่ยงต่อการกระทบจากความร้อนอย่างรุนแรง ตามด้วยอุปกรณ์กดทับทางกล ถ้าคุณอยู่ในโรงงานที่เงียบหลังจากที่มีการบรรจุแหล่งจ่ายไฟ การได้ยินเสียงบางๆ ของเฟอร์ไรต์ร้าวภายในเรซิ่นระบายความร้อน ทิ้งทำนอง tink tink เสียงของคอร์เฟอร์ไรต์ที่แตกในเรซิ่นระบายความร้อน คุณจะไม่ได้ยินมัน แต่ค่าการเหนี่ยวนำของคุณจะเปลี่ยนแปลงออกนอกช่วง และประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟของคุณก็จะลดลง

แบตเตอรี่เป็นเกมที่มีเดิมพันสูงที่สุด ถ้าคุณบรรจุเซลล์ 18650 สำหรับชุดต้นแบบ คุณกำลังเล่นกับไฟ — อย่างจริงจัง เรซิ่นโครงสร้างมาตรฐานสามารถทำให้อุณหภูมิสูงถึงจุดที่โค้งหด PVC บนเซลล์ (โดยปกติอยู่ในช่วง ~80°C ถึง 100°C) เมื่อฉนวนละลาย เซลล์จะต่อวงจรขัดกันเองหรือกับกล่อง ฉันเคยเห็นชุดแบตเตอรี่ที่ไม่ระเบิดแต่จริงๆ แล้วเป็นศพในทันที เพราะเหตุการณ์ความร้อนในระหว่างการบรรจุส่งผลต่อแยก ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้งานได้

โกหกของแผ่นข้อมูล

แล้วทำไมข้อมูลในแผ่นข้อมูลไม่เตือนคุณ? อาจจะเป็นเช่นนั้น แต่คุณต้องรู้วิธีอ่านรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ผู้ขายต้องการขายเรซิ่นให้คุณ เขาจึงระบุ “Peak Exotherm” ในสภาพที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

มองให้ละเอียดเกี่ยวกับวิธีทดสอบ โดยปกติแล้ว จะอ้างอิงมาตรฐาน ASTM D2240 หรือมาตรฐานใกล้เคียง และในหมายเหตุท้าย เขาจะระบุมวลของตัวอย่างทดสอบ ซึ่งโดยเกือบจะเสมอคือ 100 กรัม 100 กรัมคือถ้วยกาแฟ ไม่ใช่ถัง 55 แกลลอน หรือกล่องใส่ไฟสูงร่องลึก การพึ่งพาจำนวนนี้สำหรับการเทในปริมาณมากก็เท่ากับว่าคุณสมมุติว่ากองไฟและไฟป่าให้ความร้อนเท่ากัน เพราะทั้งคู่เผาไม้

นอกจากนี้ ผู้ขายมักจะทดสอบในภาชนะที่นำความร้อนได้ดี หรือแพร่กระจายวัสดุในชั้นบางๆ ในผลิตภัณฑ์ของคุณ คุณอาจจะเทลงในกล่องพลาสติก (ฉนวน) รอบวงจรพิมพ์ (PCB) (ฉนวน) ความร้อนไม่มีทางออก แผ่นข้อมูลไม่ใช่รับประกันการทำงาน ต้นแบบการวัดใน “Lab World” คุณอาศัยอยู่ใน “Production World” และค่าการปรับเปลี่ยนที่นี่เป็นแบบไม่เชิงเส้น คุณไม่สามารถทำนายการปล่อยความร้อนสูงสุดของลักษณะเฉพาะของคุณโดยใช้การประมาณเชิงเส้นของข้อมูลจากผู้ขาย

บรรเทา: ห้ำหั่นเคมี

ถ้าคุณเห็นระดับความร้อนที่อันตราย กุญแจแรกคือเคมี คุณต้องการวัสดุที่ทำหน้าที่เป็นซิงค์ความร้อนมากกว่าที่เป็นแค่แหล่งสร้างความร้อน

ซึ่งมักหมายถึงการเปลี่ยนไปใช้ระบบ “เติมเต็มสูง” องค์ประกอบเหล่านี้ถูกบรรจุด้วยสารเติมเต็มที่นำความร้อนเช่นอัลูมินา หรือซิลิกา สารเติมเต็มทำสองอย่าง: นำความร้อนออกจากแกนกลางไปยังผิว และผลักดันปริมาณเรซินที่ปฏิกิริยา ถ้าหลอดบรรจุสารเติมเต็มกี่กรัม นั่นคือสิ่งที่มีการเปลี่ยนแปลงปฏิกิริยาเคมีต่อหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตร ตัดสินใจให้ความหนืด—วัสดุเติมเต็มเหมือนเทน้ำผึ้งเย็น—แต่พวกมันจะช่วยลดจุดสูงสุดของอุณหภูมิของคุณ

คุณอาจพิจารณาทิ้ง epoxy ไปเลยก็ได้ ซิลิโคนและยูรีเทนโดยทั่วไปมีความร้อนปล่อยออกมาน้อยกว่ามาก โดยเฉพาะซิลิโคนที่ให้อภัยมากต่ออุณหภูมิการรักษาและแทบจะไม่สร้างความเครียดให้กับส่วนประกอบเพราะยังคงนิ่ม (ความแข็ง Low Shore A) อย่างไรก็ตาม ก่อนที่คุณจะเปลี่ยนเป็นซิลิโคน อย่าลืมว่าสารน้ำมันซิลิโคนสามารถเคลื่อนที่ได้ทุกที่และอาจทำให้เกิดความล้มเหลวในการยึดเกาะในกระบวนการทาสีหรือเคลือบ สารน้ำมันนี้แก้ปัญหาเรื่องความร้อนได้ แต่ก็แฝงความเสี่ยงจากการปนเปื้อนซึ่งคุณต้องจัดการ

บรรเทา: ห้ำหั่นกระบวนการ

ถ้าคุณต้องใช้ epoxy ที่แข็งและคุณมีปริมาณใหญ่ที่จะเติม คุณไม่สามารถต่อสู้กับฟิสิกส์ของปฏิกิริยาได้ คุณต้องเปลี่ยูทรงเรขาคณิตของการเท

การแก้ปัญหาที่เชื่อถือได้ที่สุด (แต่มีค่าใช้จ่ายสูง) คือ “Two-Stage Pour” คุณเทหน่วยงานครึ่งหนึ่ง ครอบคลุมส่วนประกอบที่ไวต่อความเสียหายหรือแค่ฐาน แล้วปล่อยให้ชั้นนั้นแข็งตัวและเย็น จากนั้นเทอีกครึ่งหนึ่ง การแบ่งมวลนี้จะลดจุดพุ่งของความร้อนได้อย่างมาก ความร้อนจากการเทครั้งที่สองยังสามารถกระจายเข้าสู่ชั้นแรก ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับความร้อน

ผู้จัดการฝ่ายการผลิตไม่ชอบสิ่งนี้ มันใช้เวลามากขึ้นในการจัดการและเพิ่มงานในกระบวนการ (WIP) บนพื้น พวกเขาจะถามว่าสามารถวางรางการรักษาไว้ในตู้เย็นเพื่อทำให้เย็นลงได้ไหม ซึ่งเป็นความเสี่ยง หากคุณทำให้ภายนอกเย็นลงเร็วเกินไปในขณะที่ภายในกำลังปฏิกิริยา คุณจะสร้างแนวเทอร์มอลที่นำไปสู่ความเครียดภายในและแตกร้าว คุณสามารถใช้พัดลมเพื่อเคลื่อนอากาศได้ แต่การทำความเย็นด้วยเครื่องทำความเย็นแบบมีพลังงานมักจะก่อให้เกิดปัญหาเพิ่มเติม เช่น ความชื้นที่ควบแน่นบนพื้นผิวที่ยังไม่แข็งตัว ซึ่งอาจขัดขวางปฏิกิริยาได้

ความจริงเพียงอย่างเดียวคือเทอร์โมคัปเปิ้ล

คุณสามารถสร้างแบบจำลองข้อมูลนี้ อ่านแผ่นข้อมูล และโต้แย้งกับตัวแทนผู้ขาย แต่มีวิธีเดียวเท่านั้นที่จะรู้ว่าคุณกำลังทำอาหารบอร์ดของคุณอยู่หรือไม่

คุณต้องสละหน่วยหนึ่ง

เลือกบอร์ดและกล่องสำหรับการผลิต ฝึกเจาะรูในกล่องหรือแอบแทรกโพรบก่อนเท ฝัง thermocouple ชนิด K โดยตรงเข้าไปในศูนย์กลางของมวล epoxy ที่ใหญ่ที่สุด หรือติดเทปไว้กับตัวคาปาซิเตอร์ที่ไวต่อความเสียหายมากที่สุด เทสารเคลือบและเชื่อมต่อโพรบกับเครื่องบันทึกข้อมูล แล้วเดินออกไปปล่อยให้มันแข็งตัว

เมื่อคุณกลับมา ให้ดูที่เส้นโค้ง หากพบจุดพุ่งสูงถึง 140°C หรือ 160°C คุณมีคำตอบแล้ว ไม่มีจำนวนการแลกเปลี่ยนข้อมูลทางทฤษฎีใดๆ ที่จะลบล้างข้อมูลจาก thermocouple ได้ แผนภูมินั้นเป็นสิทธิ์ให้คุณเรียกร้องให้มีการเปลี่ยนกระบวนการ เปลี่ยนวัสดุ หรือออกแบบใหม่ จนกว่าคุณจะมีเส้นนี้บนกราฟ คุณก็แค่เดาไปเรื่อยๆ และฟิสิกส์ก็พร้อมจะพิสูจน์ว่าคุณผิด