失敗的熱力學：為何封裝會烹煮你的電路板

你花了幾個月優化信號完整性。你為每一分貝的噪聲底奮鬥。你用精巧的散熱器和氣流模型驗證FETs的熱管理。然後，在生產配送的最後一刻，你將電路板交給灌封。他們混合雙組份環氧樹脂，倒入外殼，然後將其放在架子上固化。

那正是你失去的單位所在。

這不是電氣短路或韌體錯誤。這是未能尊重你剛啟動的化學反應的劇烈性。灌封不僅僅是“乾燥”或“硬化”。它是一個放熱聚合反應事件。當你混合A組份和B組份時，你點燃了一個化學燃燒而非氧化的火焰。如果你不控制這個火焰，灌封體的內部溫度很容易超過180°C——在產品甚至離開工廠之前就把電解電容燒毀、電阻吸焊、鐵氧體芯片裂開。

憤怒化學的物理學

大多數工程師所犯的根本錯誤，是假設灌封杯內的溫度與固化爐或室溫一致。這是非常危險的錯誤。環氧樹脂與硬化劑反應會釋放能量。在像符合性塗層這樣的薄膜中，這些熱量會立即散逸到空氣中。反應保持冷卻。但灌封是一個體積過程。你正在用一層厚重的絕緣塑料圍繞熱源，這個熱源其實也是塑料，產生熱量。

這會產生一個失控的熱循環，由Arrhenius方程式驅動：大約每升高10°C，反應速率就會加倍。隨著環氧樹脂反應，它會產生熱量。這些熱量不能散逸，因為環氧樹脂本身是一種天然的熱絕緣體。因此，熱量滯留在核心，導致溫度升高。溫度越高，剩餘的環氧樹脂反應越快，產生 更多 熱量，推動反應越來越激烈。這是一台自己加速運轉，直到耗盡燃料或融化某物的引擎。

你可能認為你很安全，因為你使用的是“室溫固化”配方。不可以被這個術語所迷惑。“室溫”只意味著你不需要外部烤箱來啟動反應；並不意味著材料保持在室溫。事實上，快速固化的“5分鐘”環氧樹脂常常是最暴力的肇事者。我曾見過一位技術人員將一個五加侖的快速固化環氧樹脂裝滿，打算用一小時倒出。在十分鐘內，桶子變成了冒煙的火山，融化了自己的塑料襯裡，並與混凝土地面融為一體。質量效應的物理並不妥協。

不要把這個與混合錯誤搞混。是的，如果比例混錯，你會得到一團軟黏黏、永遠不會硬化的糊狀物。那是失敗，但屬於“安全”失敗。更危險的情況是當你混合時 完美，但低估了質量。一杯100克的量可能最高只有60°C。相同的材料，倒入一個2升的高壓電源儲存槽中，表面積與體積之比大大降低。它無法散熱。核心溫度激升，突然間你就擺了一個反應爐在工作台上。

沉默殺手：成分如何死亡

當放熱反應激增時，外部很少能看到損害。灌封的表面可能看起來完全天然，手感略溫暖。但深層裡，熱量無處可去，環境已經變得惡劣。

以標準的表面貼裝組裝為例。你有貼有0402電容的FR4板。當環氧樹脂放出熱量達到峰值——假設為160°C——板子很熱，但焊料依然牢固。然而，當反應結束，環氧樹脂變硬成剛性固體。現在整個質量開始冷卻至室溫。接著你面臨第二個致命因素：熱膨脹係數（CTE）不匹配。環氧在冷卻時收縮，PCB收縮的速度不同。陶瓷電容幾乎不收縮。結果就是一個巨大的剪切力直接作用於焊點。我見過電容被撕離引腳，或者更糟，內部裂開，今天通過連續性測試，但在現場震動一個月後就開路。

磁性元件更脆弱。鐵氧體核心是易碎的陶瓷，依賴特定的晶體結構來保持電感。當你將變壓器包在硬的、未充填的環氧樹脂中並讓它放熱時，基本上是在經歷熱沖擊，然後受到猛烈的擠壓。如果你站在安靜的生產區，經過一批電源灌封後，有時會聽到微弱的 叮叮聲 ——鐵氧體核心在冷卻樹脂內裂裂的聲音。你可能看不到，但你的電感值會偏離規範，你的電源效率也會下降。

電池在這裡風險最高。如果你在為原型電池組灌封18650電池，你就是在玩火。本質上，這是字面意義上的玩火。標準的結構性環氧樹脂很容易達到融化PVC收縮包裝的溫度（通常為約80°C至100°C）。一旦絕緣層融化，電池相互短路或短路到外殼。我見過一些電池組，沒有爆炸，但因灌封過程中的熱事件破壞了隔離層，導致其基本上是報廢狀態。

資料表的謊言

那麼為什麼資料表沒有警告你？它很可能有警告，但你必須知道如何閱讀細則。供應商想賣你環氧樹脂，所以他們在最有利的條件下列出“峰值放熱”。

仔細觀察測試方法。通常，它引用的是 ASTM D2240 或類似的標準，在註腳中會指定測試樣品的質量。幾乎都是100克。100克就像一杯咖啡。不是55加侖的桶，也不是深層高壓外殼。以這個數字做大容量倒入的參考，就像認為營火和森林火因為都在燃燒木頭所以火力相同。

此外，供應商常在良導熱的容器中測試，或將材料展開成薄層。在你的產品中，你可能是在塑料外殼中倒入環氧樹脂（絕緣材料），包裹著PCB（絕緣）。熱量沒有出口路徑。資料表並不代表性能保證：它是在“實驗室世界”中的基準測量。你生活在“生產世界”，其縮放因子是非線性的。你無法用供應商數據的線性外推來預測你特定幾何形狀的峰值放熱。

緩解：化學轉折點

如果你看到危險的熱度水平，你的第一個關鍵是化學。你需要一種作為散熱器而不僅僅是熱源的材料。

這通常意味著轉向“高填充”系統。這些環氧樹脂加入了像氧化鋁或二氧化硅等熱傳導填料。這些填料有兩個作用：將熱导出核心到表面，以及置換反應樹脂的體積。如果一個灌封體重有50%的填料，那麼每立方厘米的化學反應就少了50%。權衡之道是粘度——填充材料像是倒冷蜂蜜，但它們能將峰值溫度控制在較低水平。

你也可以考慮完全不用環氧樹脂。矽膠和聚氨酯的放熱反應通常較低。尤其是矽膠，在固化溫度上非常寬容，幾乎不會對元件造成壓力，因為它們保持柔軟（低Shore A硬度）。不過，在轉用矽膠之前，要記得矽油會到處移動，可能導致塗裝或塗層過程中的附著失效。它解決了熱量問題，但也帶來了污染的風險，你必須加以管理。

緩解：工藝轉折點

如果你必須使用剛性環氧樹脂且需要填充大量體積，你無法抗拒反應的物理性。你必須改變倒模的幾何形狀。

最可靠（且較昂貴）的解決方案是“二階段倒模”。你將裝置倒入一半，覆蓋較不敏感的元件或僅倒到底座。讓這層凝固並冷卻。然後你倒入另一半。通過分散重量，可以大幅降低放熱高峰。第二層的熱量也能散入第一層，第一層充當散熱器。

生產經理不喜歡這樣做。這會加倍處理時間，並增加生產中的在製品（WIP）。他們會問是否可以將固化架放進冰箱冷卻。這很危險。如果你外側冷卻太快，而內部正在反應，會產生熱梯度，導致內部龐大的應力和裂縫。你可以用風扇移動空氣，但活躍的冷藏通常比解決問題更添麻煩，包括在未固化表面上的水氣凝結，可能會阻礙反應。

唯一的真理是熱電偶

你可以建立模型、閱讀數據表，並與供應商代表討論，但只有一種方法能知道你是否在烹煮你的電路板。

你必須犧牲一個單位。

取一塊生產用電路板和外殼。在倒入前在殼體上鑽孔或偷偷放入探頭。將K型熱電偶直接嵌入最大質量的環氧樹脂中心，或將其貼在你最敏感的電容器上。倒入灌封膠，並將探頭連接到數據記錄器。離開讓它固化。

回來後，觀察曲線。如果看到高點達到140°C或160°C，你就知道答案了。沒有任何理論辯論能超越熱電偶提供的數據。那張曲線是你要求變更工藝、換用材料或重新設計的許可證。在你將那條線畫在圖表上之前，你只是在猜測，而物理定律正等待證明你是錯的。