Slika 1.U sklopovima-povezanim žicom, kruto epoksidno zalijevanje primjenjuje naprezanje skupljanja kod stvrdnjavanja bočno preko petlji spojene žice. Naprezanje se koncentrira na spojnoj peti - najslabijem poprečnom-presjeku u žici - i kvar se pojavljuje nakon više toplinskih ciklusa, a ne pri početnom ispitivanju.
Specifikacija je zahtijevala epoksidnu smjesu-otpornu na plamen. Odabran je kruti sustav visokog-modula - dobro-karakterističan, UL-naveden, dokumentiran Tg i dielektrična čvrstoća. Inženjerski tim bio je uvjeren u izbor materijala. Šest mjeseci nakon početka proizvodnje, kvarovi žičane veze počinju se pojavljivati u vraćenim jedinicama. Nisu sve vraćene jedinice - otprilike 3% pošiljaka iz određenog razdoblja. Analiza poprečnog-presjeka pokazuje lomove spojne žice na peti, bez dokaza prekomjerne-struje ili mehaničkog udara. Metalurgija žice je normalna. Priključak matrice je netaknut. Snaga prianjanja na ulaznom materijalu bila je unutar specifikacije.
Ono što istraga nije pronašla - jer to nije na popisu za provjeru analize kvarova - jest da su se lomovi dogodili na rubu spojne petlje jer se kruti epoksid stvrdnuo i skupio oko žice, povlačeći petlju bočno dok se skupljala, koncentrirajući naprezanje točno na peti gdje poprečni-presjek žice prelazi s FAB spoja na tijelo žice. Materijal nije bio pogrešan proizvođač. Bio je to pogrešan modul.
Većina kvarova lemljenog spoja i zamora žičane veze u lončanim sklopovima generirana je kapsulantom, a ne spojem. Enkapsulant primjenjuje stres. Promjena geometrije spoja, legure ili promjera žice ne utječe na izvor naprezanja koji je izvan spoja.
Što kruti epoksid radi tijekom stvrdnjavanja
Kada se dvo-komponentni epoksidni sustav pomiješa i rasporedi u šupljinu koja sadrži elektroničke komponente, reakcija-unakrsnog povezivanja koja proizvodi stvrdnutu krutinu također proizvodi volumetrijsko skupljanje. Za većinu krutih epoksidnih sustava za zalijevanje, linearno skupljanje je u rasponu od 0,2–1,0%. U apsolutnom iznosu, 0,5% linearnog skupljanja preko 30 mm stvrdnutog dijela znači 150 μm kontrakcije. Ova kontrakcija je ograničena ugrađenim komponentama i stjenkama šupljine, koje se ne pomiču. Smola se ne može slobodno skupljati - drži se prianjanjem na sve površine koje navlaži. Rezultat je polje naprezanja raspoređeno po cijelom stvrdnutom volumenu, s vršnim naprezanjem na najtvrđim karakteristikama: dijelovi komponenti, žičane veze, uglovi uređaja i sučelje od-ka-kućišta.
U krutom sustavu visokog-modula (Shore D 75–95), stvrdnuti polimer ne može se značajno deformirati kako bi smanjio ovaj stres. Polje naprezanja koje je postavljeno tijekom stvrdnjavanja ostaje u stvrdnutom dijelu kao zaključano-opterećenje. Svaka ugrađena komponenta i svako sučelje u kontaktu s zalivom je pod stalnim, statičkim naprezanjem od stvrdnutog omotača - prije bilo kakvog radnog opterećenja, prije bilo kakvog toplinskog ciklusa, prije bilo kakve vibracije.
Veličina ovog naprezanja ovisi o veličini skupljanja, modulu stvrdnutog epoksida, modulu podloge i komponenti, te geometriji. Za tipične krute sustave zalivanja na tiskanim pločama s-rupama i SMT komponentama, napon skupljanja kod stvrdnjavanja na sučeljima lemljenih spojeva može doseći 5-15 MPa - znatno ispod krajnje vlačne čvrstoće spoja, ali dovoljno da se smanji njegov vijek trajanja u kombinaciji s radnim opterećenjima.
Pojačanje toplinskog ciklusa
Naprezanje stezanja u stvrdnjavanju je statičko opterećenje. Toplinski ciklus je dinamičko opterećenje. Tijekom rada, svako temperaturno odstupanje od temperature otvrdnjavanja stvara dodatno naprezanje na svakom sučelju gdje se CTE epoksida razlikuje od CTE-a susjednog materijala. Amplituda naprezanja po ciklusu ovisi o neusklađenosti CTE-a, veličini temperaturnog odstupanja i krutosti materijala.
Za kruti epoksid (CTE ~50–70 ppm/ stupanj ispod Tg) spojen na FR-4 PCB (CTE ~14–18 ppm/ stupanj u -ravnini, ~60–80 ppm/ stupanj izvan--ravnine), bakreni olovni okvir (CTE ~17 ppm/ stupanj ), keramika kućište kondenzatora (CTE ~7–10 ppm/stupanj) i aluminijsko kućište (CTE ~23 ppm/stupanj), CTE neusklađenost na svakom sučelju stvara smično naprezanje tijekom svake promjene temperature. U krutom omotaču, ovo posmično naprezanje ne može se ublažiti deformacijom omotača - ono se prenosi na najslabiju površinu na putu opterećenja.
Najslabije sučelje ovisi o geometriji sklopa. U modulima-spojenim žicom, to je tipično spojena peta ili druga veza (klinasta veza). U SMT sklopovima s-finim korakom, to je lemni spoj na kutu-pozicija većine komponenti, gdje je ekscentricitet od neutralne točke najveći. U sklopovima zavojnica ili transformatora s miješanim metalnim materijalima, sučelje epoksi-na-kućište je ono gdje CTE neusklađenost između ispune, žice i kućišta proizvodi najveće smicanje.
Kombinirani učinak statičkog naprezanja skupljanja pri stvrdnjavanju i cikličkog toplinskog naprezanja određuje vijek trajanja spoja od zamora. Izraz stresa skupljanja pri stvrdnjavanju povećava srednju razinu stresa. Izraz toplinskog ciklusa daje cikličku amplitudu. Oba pridonose nastanku pukotina; brzina širenja pukotine ovisi o oba člana.
Zašto vremenski okvir kvara uzrokuje pogrešnu identifikaciju
Pogreške-prijenosa naprezanja izazvane krutim epoksidnim zalivanjem ne pojavljuju se odmah nakon stvrdnjavanja. Broj ciklusa inicijacije pukotine ovisi o kombiniranoj amplitudi naprezanja, koja je funkcija geometrije i materijala. U tipičnim sklopovima, kvarovi se pojavljuju nakon 100-500 toplinskih ciklusa tijekom rada ili nakon nekoliko mjeseci do godine kontinuirane izloženosti vibracijama. Ova vremenska linija uzrokuje dosljednu pogrešnu identifikaciju:
Na početnom testu- sklop prolazi sve električne provjere, hi-pot i vizualni pregled. Napon skupljanja kod stvrdnjavanja je prisutan, ali ispod praga nastanka pukotine. Nije otkriven nikakav kvar.
U ranoj upotrebi na terenu- sklop funkcionira normalno. Akumulirani toplinski ciklusi nisu dosegli prag inicijacije pukotine. Nije otkriven nikakav kvar.
3–12 mjeseci u službi- pogreške počinju se pojavljivati. Istraga se usredotočuje na pokvarenu komponentu ili spoj, a ne na kapsulant. Snaga povlačenja žica na vraćenim jedinicama može zadovoljiti ulaznu specifikaciju jer su žice koje nisu pokvarene netaknute - statistička populacija pokvarenih žica već je u pokvarenim jedinicama.
Tijekom analize kvara- poprečni-presjeci pokazuju pukotine na veznoj peti ili sučelju lemljenog spoja. Istraga to pripisuje metalurškom zamoru, koji je tehnički točan - širenje zamorne pukotine bio je konačni način kvara -, ali izostavlja glavni uzrok: povećanu amplitudu naprezanja od krutog omotača.
Ispravna identifikacija osnovnog uzroka zahtijeva usporedbu stope kvarova i obrasca lokacije pukotine s onim što bi se očekivalo od izračunatog polja naprezanja u geometriji posude. Pukotine koje započinju na predvidljivim mjestima visokog-naprezanja (spojne pete u žičano-spojenim modulima, kutne komponente u SMT nizovima, izlazi za provodnike u lončanim zavojnicama) ravnomjerno raspoređene po populaciji -, a ne nasumično na nasumičnim lokacijama -, u skladu su sa sustavnim izvorom naprezanja u kapsulantu.
Što inkapsulant niskog-modula čini drugačije
Polu-fleksibilni epoksid s Shore A 80–90 i istezanjem od približno 140% reagira na skupljanje pri stvrdnjavanju i toplinski ciklički stres deformiranjem, umjesto prijenosom stresa na ugrađene komponente. Modul materijala Shore A 80 je otprilike dva reda veličine niži od Shore D 80 - na isti način na koji gumena traka i čelična šipka različito reagiraju na istu primijenjenu silu. Gumica se deformira. Čelična šipka prenosi silu.
Kada se inkapsulant niskog-modula stvrdnjava i skuplja, ne može generirati veliko naprezanje na ugrađenim sučeljima jer je njegova krutost nedovoljna da izdrži veliko polje naprezanja. Dolazi do skupljanja, ali smola se deformira kako bi ga prihvatila, umjesto da prenosi opterećenje kontrakcije na susjedne komponente. Stanje zaostalog naprezanja u stvrdnutom dijelu je znatno niže nego u krutom sustavu s istim postotkom skupljanja.
Tijekom toplinskog ciklusa, sustav niskog-modula deformira se kako bi se prilagodio diferencijalnom CTE kretanju između epoksida i ugrađenih materijala. Smično naprezanje na sučelju je smanjeno jer se inkapsulant pomiče s podlogom umjesto da joj se opire. CTE neusklađenost još uvijek postoji - materijali se nisu promijenili - ali naprezanje koje proizlazi iz neusklađenosti apsorbira se deformacijom inkapsulanta umjesto da se prenosi na spoj.
Ovo je inženjerska osnova za specifikaciju polu-fleksibilnog sustava. Nije da polu-fleksibilni sustav čini sklop jačim. Radi se o tome da polu-fleksibilni sustav uklanja sredstvo za zatvaranje kao izvor naprezanja, dopuštajući sklopu da radi pod projektiranim uvjetima opterećenja bez dodatnog nametnutog opterećenja od smjese za zalivanje.
Slika 2.Čvrsti epoksid ne može se deformirati kako bi se prilagodio skupljanju - naprezanje se prenosi na najslabiju površinu na putu opterećenja. Polu-fleksibilni sustav s istezanjem od ~140% deformira se umjesto toga, uklanjajući inkapsulant kao izvor naprezanja bez promjene geometrije spoja.
Ustupci-niskog modula: što polu-fleksibilno ne može učiniti
Svojstva koja polu{0}}fleksibilan sustav čine učinkovitim za ublažavanje naprezanja ista su svojstva koja ga čine neprikladnim za primjene koje zahtijevaju mehaničku krutost, strukturnu potporu ili agresivnu toplinsku izvedbu:
Dimenzijska stabilnost pod stalnim mehaničkim opterećenjem.Shore A 80–90 puzat će pod trajnim tlačnim ili smičnim opterećenjem. Ako je spojni sklop mehanički ograničen u-pritiskom, nosačem-za držanje koji djeluje dugotrajnom silom ili konektorom koji prenosi silu umetanja na uklopljeno područje, polu-fleksibilna matrica će se s vremenom deformirati. Čvrsti epoksid potreban je za-nosive primjene.
Toplinska vodljivost.Polu-fleksibilni sustavi imaju toplinsku vodljivost u istom rasponu kao i standardne krute smjese za zalivanje - obično 0,5–0,7 W/m·K. Ako dizajn zahtijeva da sloj zalivanja provodi toplinu od-komponente koja rasipa snagu do površine za hlađenje, polu-fleksibilni sustav na ovoj razini vodljivosti neće pružiti značajno toplinsko poboljšanje. Potreban je toplinski vodljivi kruti sustav (1,0–1,5 W/m·K).
Ponašanje debelog-presjeka.Svojstvo istezanja koje čini polu{0}}fleksibilan sustav korisnim za smanjenje naprezanja popraćeno je većom egzotermnom generacijom topline po jedinici volumena u središtu gustog izljeva jer viša razina katalizatora potrebna za stvrdnjavanje na sobnoj-temperaturi proizvodi bržu reakciju. Izlijevanje velikog volumena u dubokim dijelovima može generirati dovoljno egzotermne topline da uzrokuje lokalnu previsoku temperaturu. Debljina presjeka i volumen izlijevanja trebaju biti validirani prije proizvodnje.
Puzanje na gornjoj radnoj temperaturi.Sustav Shore A 80–90 koji radi blizu svoje gornje granice radne temperature (100 stupnjeva za tipične polu-fleksibilne sustave) pokazat će veće stope puzanja od krutog sustava na istoj temperaturi. Prijave u kojima je potrebna dimenzionalna preciznost pod toplinskim opterećenjem trebale bi koristiti kruti sustav visoke-Tg.
Uvjeti primjene u kojima je modul inkapsulanta mjerodavni kriterij odabira
Sljedeći uvjeti sastavljanja pokazuju da je mehanizam-prijenosa naprezanja glavni rizik kvara i da modul kapsuliranja - umjesto dielektrične čvrstoće, toplinske vodljivosti ili Tg - treba voditi izbor materijala:
Moduli-povezani žicom (zlatna ili bakrena žica, kuglične ili klinaste veze) zatvoreni u krutu smjesu za zalivanje, rade pod utjecajem toplinskih ciklusa ili vibracija.
SMT sklopovi finog{0}}s koraka (0,5 mm koraka ili finiji) s višestrukim tipovima komponenti koje imaju različite CTE-ove - keramičkih pasiva, paketa polimera i induktora s metalnim-tijelima u istom zatvorenom području.
PCB-ovi s tankim, nepodržanim dijelovima ili savitljivim supstratima zatvorenim u kruti omotač - razlika u krutosti između supstrata i omotača stvara veliki međufazni stres tijekom stvrdnjavanja.
Sklopovi feritnih jezgri (transformatori, induktori, prigušnice uobičajenog-moda) gdje je CTE feritnog tijela (~10 ppm/stupanj) bitno drugačiji od okolnog epoksidnog CTE-a (~50-70 ppm/stupanj).
Sklopovi u okruženjima s kontinuiranim vibracijama (automobili, industrijski motorni pogoni, vanjski uređaji) gdje je kumulativno cikličko opterećenje dominantni pokretač kvara.
Svaki sklop kod kojeg prethodna povijest kvarova pokazuje pucanje, povremena otvaranja ili raslojavanje koje je u korelaciji s brojem toplinskih ciklusa, a ne s određenim događajem prenaprezanja.
Odabir modula kao dizajnerska odluka, a ne zadana vrijednost
Standardni proces odabira epoksidnih smjesa za zalijevanje u većini radnih procesa nabave B2B započinje ocjenom plamena (UL 94 V-0), prelazi na dielektričnu čvrstoću, a zatim procjenjuje raspored stvrdnjavanja i Tg. Modul i istezanje često se navode zadnji u TDS-u i rijetko im se daje velika težina u početnom odabiru. Ovaj redoslijed odražava redoslijed zahtjeva usklađenosti - ocjena plamena je zakonski propisana, dielektrična čvrstoća je mjerljiva, modul nije u većini standarda opreme.
Posljedica toga je da se sklopovi s mehanički osjetljivim strukturama rutinski pune krutim spojevima visokog-modula jer nije bilo izlaza za odabir koji su postavljali pitanje modula. Specifikacija prolazi pregled sukladnosti. Kvar se pojavljuje u polju. Istraga se ne vraća na proces selekcije.
Ispravan pristup je dodati analizu mehaničkog naprezanja u ranu fazu projektiranja - prije odabira smjese za zalivanje. Pitanje "koja opterećenja ovo sredstvo za kapsuliranje primjenjuje na sklop tijekom stvrdnjavanja i servisiranja?" mora se odgovoriti prije navođenja materijala, a ne nakon što se vrati prvo polje.
To zahtijeva poznavanje približnog skupljanja spoja kandidata, modula stvrdnutog sustava, CTE supstrata i komponenti, te geometrije presjeka u posudi. Nijedan od njih ne zahtijeva analizu konačnih elemenata - procjena prvog-reda na temelju svojstava materijala i geometrije dovoljna je da se utvrdi je li prijenos naprezanja vjerojatno glavni mehanizam kvara prije nego što se finalizira odabir materijala.
Srodni proizvod za-montažu osjetljivu na stres
E759/H759 je dvo-komponentna, polu-fleksibilna epoksidna masa za zalivanje s Shore A 80–90 i približno 140% rastezljivosti pri prekidu. Certificiran je UL 94 V-0 pod UL datotekom E120665 minimalne debljine 1,58–1,74 mm. Raspon radne temperature je od –30 stupnjeva do +100 stupnjeva. Omjer miješanja je 100:30 po težini; vrijeme pripravnosti je otprilike 60 minuta za masu od 60 g na 25 stupnjeva. Stvrdnjavanje je na sobnoj temperaturi (7 dana na 25 stupnjeva) ili ubrzano toplinom (50–60 stupnjeva × 2 sata + 80 stupanj × 2 sata).
Prikladno je kada je dominantni rizik prijenos mehaničkog naprezanja - zamor žičane veze, pucanje lemljenih spojeva, raslojavanje CTE-neusklađenosti ili lom-izazvan vibracijama. Nije prikladno za-nosivo strukturno zalijevanje, upravljanje toplinom-toplinskog-toka ili sklopove koji zahtijevaju Shore D krutost za toleranciju dimenzija. Odabir treba potvrditi na reprezentativnim uzorcima pod stvarnim profilom toplinskog ciklusa primjene.
→ 🔗E759/H759 Stranica proizvoda - Tehnički podaci, UL certifikat, Napomene o primjeni
Ključna inženjerska pitanja
Kako mogu procijeniti događa li se prijenos naprezanja u mom trenutnom sklopu?
Procjena prvog -reda može se napraviti na temelju skupljanja mase za zalijevanje (iz TDS-a, obično navedenog kao % linearnog skupljanja), modula očvrsnutog sustava (u korelaciji s Shore D - Shore D 80 odgovara približno 1500–2500 MPa vlačnog modula) i geometrije presjeka zalijevanje. Naprezanje na krutom ugrađenom sučelju je približno E × ε, gdje je E epoksidni modul, a ε ograničena deformacija skupljanja. Ako je dobivena vrijednost značajan dio granice zamora lemljenog spoja ili spoja žice, vjerojatno će doći do prijenosa naprezanja. Ovo je gruba procjena - detalji geometrije i putanje opterećenja značajno utječu na stvarno naprezanje -, ali utvrđuje zahtijeva li mehanizam detaljnu analizu ili eksperimentalnu provjeru valjanosti prije finaliziranja odabira materijala.
Ako sklop trenutno koristi krutu epoksidnu smolu i ima povijest kvarova na terenu u skladu s prijenosom naprezanja, koji je točan slijed procjene za polu-fleksibilnu alternativu?
Započnite potvrđivanjem mehanizma kvara kroz-analizu presjeka vraćenih jedinica - mjesto početka pukotine, putanju širenja pukotine i korelaciju s brojem toplinskih ciklusa. Zatim proizvedite ispitne uzorke stvarnog sklopa s polu-fleksibilnim kandidatom pri istoj geometriji i rasporedu stvrdnjavanja i pokrenite ubrzani toplinski ciklus do broja ciklusa koji pokriva isti raspon kvarova opažen na terenu (obično 2–5 puta broj ciklusa gdje su se kvarovi na terenu prvi put pojavili). Usporedite stopu kvarova i mjesto početka pukotine između krutih i polu-savitljivih uzoraka. Ovaj proces traje 4-8 tjedana, ovisno o dostupnosti opreme za termički ciklus, ali to je jedina pouzdana osnova za odluku o promjeni materijala. Sama usporedba podatkovne tablice ne predviđa-ponašanje usluge za ovaj mehanizam kvara.
Pruža li sustav s nižim-modulom manju zaštitu okoliša od krutog?
Polu-fleksibilni sustav na Shore A 80–90 zadržava funkciju zaštite okoliša - brtvi sklop od prodora vlage, pruža električnu izolaciju i zadovoljava UL 94 V-0 učinak plamena. Ono što ne pruža je mehanička krutost - deformirat će se pod dugotrajnim tlačnim opterećenjem. Za zaštitu okoliša u-nenosivim-primjenama, Shore A 80–90 je prikladan. Bitna je usporedba je li smanjenje modula od Shore D do Shore A relevantno za specifično mehaničko opterećenje koje će sklop imati tijekom rada, a ne pruža li polufleksibilni sustav "manju zaštitu" u apstraktnom smislu.
Sljedeći koraci - Kontaktirajte Fong Yong Chemical
