Şekil 1.Tel-bağlı düzeneklerde, sert epoksi kaplama, bağ teli döngüleri boyunca yanal olarak büzülme gerilimini iyileştiren bir uygulama uygular. Gerilim, telin en zayıf kesiti olan - bağ topuğunda - yoğunlaşır ve arıza, ilk testte değil, birden fazla termal döngüden sonra ortaya çıkar.
Şartname alevi-geciktiren bir epoksi kaplama bileşiği gerektiriyordu. Sert, yüksek-modüllü bir sistem seçildi -iyi-özelleştirilmiş, UL-listelenmiş, Tg ve dielektrik dayanımı belgelenmiş. Mühendislik ekibi malzeme seçiminden emindi. Üretimin üzerinden altı ay geçtikten sonra, iade edilen birimlerde tel bağ arızaları görülmeye başlıyor. İade edilen birimlerin tümü değil -, belirli bir tarih aralığındaki gönderilerin kabaca %3'ü. Çapraz kesit analizi, aşırı akım veya mekanik şok belirtisi olmaksızın topuktaki bağ teli kırıklarını gösteriyor. Telin metalurjisi normaldir. Kalıp eklentisi sağlamdır. Gelen malzemedeki bağ çekme mukavemeti spesifikasyon dahilindeydi.
Arıza analizi kontrol listesinde - yer almadığı için incelemenin - bulamadığı şey, kırılmaların bağ halkasının topuğunda meydana gelmesidir çünkü sert epoksi sertleşip tel etrafında büzülür, küçülürken halkayı yanal olarak çeker ve stresi tam olarak tel kesitinin FAB bağından tel gövdesine geçtiği topukta-yoğunlaştırır. Malzeme yanlış üretici değildi. Yanlış modüldü.
Saksı düzeneklerdeki lehim eklemi ve tel bağı yorulma arızalarının çoğu, eklemden değil kapsülleyiciden kaynaklanır. Kapsülleyici stresi uygular. Bağlantı geometrisinin, alaşımın veya tel çapının değiştirilmesi, bağlantının dışındaki bir gerilim kaynağına çözüm getirmez.
Sert Epoksi Kürleşme Sırasında Ne Yapar?
İki-bileşenli bir epoksi sistemi karıştırılıp elektronik bileşenler içeren bir boşluğa dağıtıldığında, kürlenmiş katıyı üreten çapraz-bağlanma reaksiyonu aynı zamanda hacimsel büzülmeye de neden olur. Çoğu sert epoksi kaplama sistemi için doğrusal büzülme %0,2–1,0 aralığındadır. Mutlak anlamda, 30 mm'lik kürlenmiş kesit boyunca %0,5'lik doğrusal büzülme, 150 μm'lik büzülme anlamına gelir. Bu büzülme, gömülü bileşenler ve hareket etmeyen boşluk duvarları tarafından sınırlanır. Reçine serbestçe büzüşemez -, ıslattığı tüm yüzeylere yapışması sayesinde tutulur. Sonuç olarak, sertleştirilmiş hacim boyunca dağılmış bir gerilim alanı ortaya çıkar ve gerilim en sert özelliklerde zirve yapar: bileşen uçları, tel bağları, cihaz köşeleri ve yerleştirme-muhafaza arayüzü-.
Sert, yüksek{0}}modüllü bir sistemde (Shore D 75–95), kürlenmiş polimer bu gerilimi azaltmak için önemli ölçüde deforme olamaz. Sertleştirme sırasında belirlenen gerilim alanı, yükte kilitli-olarak sertleştirilmiş parçada kalır. Saklamayla temas halindeki her gömülü bileşen ve her arayüz, herhangi bir servis yükünden önce, herhangi bir termal döngüden önce, herhangi bir titreşimden önce, kürlenmiş kapsülleyiciden - kaynaklanan sürekli, statik bir gerilim altındadır.
Bu gerilimin büyüklüğü, büzülme büyüklüğüne, kürlenmiş epoksinin modülüne, alt tabakanın ve bileşenlerin modülüne ve geometriye bağlıdır. Açık delikli ve SMT bileşenlere sahip devre kartlarındaki tipik sert dolgu sistemleri için, lehim bağlantı arayüzlerindeki büzülme gerilimini iyileştirmek, bağlantının nihai çekme mukavemetinin çok altında 5–15 MPa - değerine ulaşabilir, ancak servis yükleriyle birleştirildiğinde yorulma ömrünü azaltmak için yeterlidir.
Termal Bisiklet Amplifikasyonu
Kür büzülme gerilimi statik bir yüktür. Termal döngü dinamik bir yüktür. Hizmette, sertleşme sıcaklığından her sıcaklık değişimi, epoksinin CTE'sinin bitişik malzemenin CTE'sinden farklı olduğu her arayüzde ek gerilim oluşturur. Döngü başına gerilim genliği, CTE uyumsuzluğuna, sıcaklık değişiminin büyüklüğüne ve malzemelerin sertliğine bağlıdır.
Bir FR-4 PCB'ye (CTE ~14–18 ppm/ derece -düzlemde, ~60–80 ppm/ derece dış{-düzlemde) bağlı sert bir epoksi (CTE ~50–70 ppm/ derece Tg'nin altında) için, bir bakır kurşun çerçeve (CTE ~17 ppm/ derece), bir seramik kapasitör gövdesi (CTE ~7–10 ppm/derece) ve alüminyum muhafaza (CTE ~23 ppm/derece) ile her arayüzdeki CTE uyumsuzluğu, her sıcaklık değişimi sırasında kayma gerilimi oluşturur. Sert bir kapsülleyicide bu kayma gerilimi, kapsülleyicinin deformasyonu ile giderilemez; yük yolundaki en zayıf arayüze iletilir.
En zayıf arayüz montaj geometrisine bağlıdır. Tel-bağlı modüllerde bu genellikle bağ tabanı veya ikinci bağdır (kama bağı). İnce-aralıklı SMT düzeneklerinde, nötr noktadan dışmerkezliğin en yüksek olduğu köşe-çoğu bileşen konumundaki lehim bağlantısıdır. Karışık metal malzemelere sahip bobin veya transformatör düzeneklerinde dolgu, tel ve muhafaza arasındaki CTE uyumsuzluğunun en yüksek kesmeyi ürettiği yer epoksi--muhafaza arayüzüdür.
Kür büzülme statik gerilimi artı döngüsel termal gerilimin birleşik etkisi, bağlantının yorulma ömrünü belirler. Kür büzülme stresi terimi ortalama stres seviyesini yükseltir. Termal döngü terimi döngüsel genliği sağlar. Her ikisi de çatlağın başlamasına katkıda bulunur; çatlak yayılma hızı her iki terime de bağlıdır.
Arıza Zaman Çizelgesi Neden Yanlış Tanımlamaya Neden Olur?
Sert epoksi kaplamanın neden olduğu gerilim-aktarım hataları kürlenmeden hemen sonra ortaya çıkmaz. Çatlak başlangıç döngüsü sayısı, geometri ve malzemelerin bir fonksiyonu olan birleşik gerilim genliğine bağlıdır. Tipik montajlarda arızalar, hizmette 100-500 termal döngüden sonra veya birkaç aydan bir yıla kadar sürekli titreşime maruz kaldıktan sonra ortaya çıkar. Bu zaman çizelgesi sürekli olarak yanlış tanımlamaya neden olur:
İlk testte- düzenek tüm elektrik kontrollerinden, yüksek-pottan ve görsel incelemeden geçer. Sertleşme büzülme gerilimi mevcuttur ancak çatlak başlangıç eşiğinin altındadır. Hiçbir arıza tespit edilmedi.
Erken saha kullanımında- derleme normal şekilde çalışır. Birikmiş termal döngüler çatlak başlatma eşiğine ulaşmadı. Hiçbir arıza tespit edilmedi.
3-12 aylık hizmette- hatası görünmeye başlıyor. Araştırma, kapsülleyiciye değil, arızalı bileşene veya bağlantıya odaklanır. İade edilen ünitelerdeki kablo bağı çekme mukavemeti, arızalanmayan kabloların sağlam olması nedeniyle gelen spesifikasyonu karşılayabilir - arızalı kabloların istatistiksel popülasyonu zaten arızalı ünitelerde bulunmaktadır.
Arıza analizi sırasında- enine-bölüm bağ topuğunda veya lehim bağlantı arayüzünde çatlama gösteriyor. Araştırma bunu metalurjik yorulmaya bağlamaktadır; bu teknik olarak doğrudur - yorulma çatlağı yayılımı son başarısızlık modudur - ancak temel nedeni göz ardı etmektedir: sert kapsülleyiciden kaynaklanan yüksek gerilim genliği.
Doğru temel nedenin belirlenmesi, başarısızlık oranının ve çatlak konumu modelinin, saklanmış geometride hesaplanan gerilim alanından beklenebilecek değerlerle karşılaştırılmasını gerektirir. Tahmin edilebilir yüksek-gerilme konumlarında başlayan çatlaklar (tel-bağlı modüllerdeki bağ topukları, SMT dizilerindeki köşe bileşenleri, muhafazalı bobinlerdeki kurşun çıkışları), rastgele konumlarda - rastgele dağıtılmak yerine - popülasyon boyunca eşit biçimde dağıtılır -, kapsülleyicideki sistematik bir stres kaynağıyla tutarlıdır.
What a Low-Modulus Encapsulant Does Differently
Shore A 80–90 ve yaklaşık %140 uzamaya sahip yarı-esnek bir epoksi, gerilimi gömülü bileşenlere aktarmak yerine deforme ederek büzülmeyi ve termal döngü gerilimini iyileştirmeye yanıt verir. Bir Shore A 80 malzemesinin modülü, bir lastik bant ve bir çelik çubuğun uygulanan aynı kuvvete farklı tepki vermesi gibi, Shore D'den 80 - yaklaşık iki kat daha düşüktür. Lastik bant deforme oluyor. Çelik çubuk kuvveti iletir.
Düşük-modüllü bir kapsülleyici sertleştiğinde ve büzüştüğünde, gömülü arayüzlerde yüksek gerilim oluşturamaz çünkü sertliği büyük bir gerilim alanını sürdürmek için yetersizdir. Büzülme meydana gelir, ancak reçine, büzülme yükünü bitişik bileşenlere iletmek yerine buna uyum sağlamak için deforme olur. Kürlenmiş parçadaki artık gerilim durumu, aynı büzülme yüzdesine sahip sert bir sistemdekinden önemli ölçüde daha düşüktür.
Termal döngü sırasında, düşük{0}}modüllü sistem, epoksi ile gömülü malzemeler arasındaki diferansiyel CTE hareketine uyum sağlamak için deforme olur. Ara yüzeydeki kayma gerilimi azalır çünkü kapsülleyici alt tabakaya direnmek yerine onunla birlikte hareket eder. CTE uyumsuzluğu hâlâ mevcut - malzemeler değişmedi - ancak uyumsuzluktan kaynaklanan gerilim, ekleme aktarılmak yerine kapsülleyicinin deformasyonu tarafından emiliyor.
Bu, yarı-esnek bir sistemi belirlemenin mühendislik temelidir. Bu, yarı-esnek sistemin montajı daha güçlü kıldığı anlamına gelmiyor. Yarı esnek sistem, kapsülleyiciyi bir stres kaynağı olarak ortadan kaldırarak düzeneğin, saksı bileşiğinden kaynaklanan ek yük olmaksızın tasarlanmış yük koşulları altında çalışmasına olanak tanır.
Şekil 2.Sert bir epoksi sertleşme büzülmesine uyum sağlayacak şekilde deforme olamaz -, gerilim yük yolundaki en zayıf arayüze iletilir. Bunun yerine ~%140 uzamaya sahip yarı-esnek bir sistem deforme olur ve bağlantı geometrisini değiştirmeden kapsülleyiciyi bir gerilim kaynağı olarak ortadan kaldırır.
Düşük Modülün Takasları-: Yarı-Esnek'in Yapamayacağı Şeyler
Yarı-esnek bir sistemi gerilim giderme açısından etkili kılan özellikler, onu mekanik sertlik, yapısal destek veya agresif termal performans gerektiren uygulamalar için uygunsuz kılan özelliklerle aynıdır:
Sürekli mekanik yük altında boyutsal kararlılık.Shore A 80-90, sürekli basınç veya kesme yükü altında sürünecektir. Saklanmış düzenek bir bastırarak-yerleştirme pimi, sürekli kuvvet uygulayan bir tutma-aşağı braketi veya yerleştirme kuvvetini yerleştirilmiş alana ileten bir konektör tarafından mekanik olarak kısıtlanırsa, yarı-esnek matris zamanla deforme olacaktır. Yük taşıyan uygulamalar için sert bir epoksi gereklidir-.
Isı iletkenliği.Yarı-esnek sistemler, standart sert saksı bileşikleriyle aynı aralıkta -, tipik olarak 0,5–0,7 W/m·K termal iletkenliğe sahiptir. Tasarım, kaplama katmanının ısıyı güç- dağıtan bir bileşenden soğutma yüzeyine iletmesini gerektiriyorsa, bu iletkenlik seviyesindeki yarı-esnek bir sistem anlamlı bir termal iyileştirme sağlamayacaktır. Termal olarak iletken sert bir sisteme (1,0–1,5 W/m·K) ihtiyaç vardır.
Kalın{0}kesit davranışı.Yarı-esnek bir sistemi gerilim giderme için faydalı kılan uzama özelliğine, kalın dökümün merkezinde birim hacim başına daha yüksek ekzotermik ısı üretimi eşlik eder, çünkü oda-sıcaklığında kürlenme için gereken daha yüksek katalizör seviyesi daha hızlı bir reaksiyon üretir. Derin bölümlere büyük hacimli dökülmeler, yerel aşırı sıcaklığa neden olacak kadar yeterli ekzotermik ısı üretebilir. Kesit kalınlığı ve dökme hacmi üretimden önce doğrulanmalıdır.
Üst servis sıcaklığında sürün.Üst servis sıcaklığı sınırına (tipik yarı-esnek sistemler için 100 derece) yakın çalışan bir Shore A 80–90 sistemi, aynı sıcaklıktaki katı bir sistemden daha yüksek sürünme hızları sergileyecektir. Termal yük altında boyutsal hassasiyetin gerekli olduğu uygulamalarda sağlam, yüksek-Tg'li bir sistem kullanılmalıdır.
Enkapsülan Modülünün Geçerli Seçim Kriteri Olduğu Uygulama Koşulları
Aşağıdaki montaj koşulları, arıza riskini yöneten gerilim-transfer mekanizması olduğunu ve malzeme seçimini dielektrik dayanım, termal iletkenlik veya Tg - yerine kapsülleme modülünün - yönlendirmesi gerektiğini gösterir:
Sert bir dolgu bileşiği içine alınmış, termal döngü veya titreşim altında çalışan tel-bağlı modüller (altın veya bakır tel, bilyeli veya kama bağlar).
Aynı kapalı alanda farklı CTE'lere - seramik pasiflere, polimer paketlere ve metal-gövde indüktörlerine sahip birden fazla bileşen türüne sahip ince-aralıklı SMT düzenekleri (0,5 mm aralık veya daha ince).
Sert saksı içine alınmış ince, desteklenmeyen bölümlere veya esnek alt tabakalara sahip PCB'ler - alt tabaka ile saksı arasındaki sertlik farkı, kürleme sırasında yüksek arayüzey gerilimi oluşturur.
Ferrit gövde düzeneklerinin (transformatörler, indüktörler, ortak-mod bobinleri) ferrit gövde CTE'sinin (~10 ppm/derece), çevredeki epoksi CTE'den (~50–70 ppm/derece) önemli ölçüde farklı olduğu durumlarda.
Kümülatif döngüsel yükün baskın arıza etkeni olduğu sürekli titreşim ortamlarındaki montajlar (otomotiv, endüstriyel motor sürücüleri, dış mekan armatürleri).
Önceki arıza geçmişinin çatlama, aralıklı açılmalar veya belirli bir aşırı gerilim olayından ziyade termal döngü sayısıyla ilişkili katmanlara ayrılma gösterdiği herhangi bir montaj.
Varsayılan Değil, Tasarım Kararı Olarak Modül Seçimi
Çoğu B2B tedarik iş akışında epoksi kaplama bileşikleri için standart seçim süreci alev derecesi (UL 94 V-0) ile başlar, dielektrik dayanımına geçer ve ardından kürleme programını ve Tg'yi değerlendirir. Modül ve uzama genellikle TDS'de en sonda listelenir ve ilk seçimde nadiren ağır bir şekilde ağırlıklandırılır. Bu sıralama uyumluluk gereksinimlerinin sırasını yansıtır; alev derecesi yasal olarak zorunludur, dielektrik dayanımı ölçülebilirdir, modül çoğu ekipman standardında yer almaz.
Sonuç olarak, modül sorusunu soran bir seçim kapısı olmadığından, mekanik açıdan hassas yapılara sahip düzenekler rutin olarak katı, yüksek-modüllü bileşiklerle doldurulur. Spesifikasyon uyumluluk incelemesinden geçer. Başarısızlık sahada belirir. Soruşturma seçim sürecine geri dönmez.
Doğru yaklaşım, saksı bileşiği seçimi yapılmadan önce erken tasarım aşamasına - mekanik gerilim analizini eklemektir. "Bu kapsülleyici kürleme ve servis sırasında montaja hangi stresleri uygular?" sorusu. İlk alan döndükten sonra değil, bir materyali belirtmeden önce yanıtlanmalıdır.
Bu, aday bileşiğin yaklaşık büzülmesinin, kürlenmiş sistemin modülünün, alt tabakanın ve bileşenlerin CTE'sinin ve saksı bölümünün geometrisinin bilinmesini gerektirir. Bunların hiçbiri sonlu eleman analizi gerektirmez - malzeme özellikleri ve geometriden elde edilen birinci-dereceden bir tahmin, malzeme seçimi sonlandırılmadan önce gerilim aktarımının muhtemelen yöneten bir arıza mekanizması olup olmadığını belirlemek için yeterlidir.
Stres-Hassas Montaj Saklama için İlgili Ürün
E759/H759, A Shore A 80–90 ve kopma noktasında yaklaşık %140 uzamaya sahip iki-bileşenli, yarı-esnek bir epoksi saksı bileşiğidir. Minimum 1,58–1,74 mm kalınlıkta UL Dosya E120665 uyarınca UL 94 V-0 sertifikalıdır. Servis sıcaklık aralığı –30 derece ila +100 derece arasındadır. Karışım oranı ağırlıkça 100:30'dur; kap ömrü 25 derecede 60 g kütle için yaklaşık 60 dakikadır. Kürleşme, oda sıcaklığında (25 derecede 7 gün) veya ısıyla hızlandırılır (50–60 derece × 2 saat + 80 derece × 2 saat).
Baskın riskin mekanik stres aktarımı - tel bağı yorgunluğu, lehim bağlantısı çatlaması, CTE-uyumsuzluk delaminasyonu veya titreşim- kaynaklı kırılma olduğu durumlarda uygundur. Yük-taşıyıcı yapısal dolgu, yüksek-ısı-ısıl yönetim veya boyut toleransı için Shore D sertliği gerektiren düzenekler için uygun değildir. Seçim, uygulamanın gerçek termal döngü profili altında temsili örnekler üzerinde doğrulanmalıdır.
→ 🔗E759/H759 Ürün Sayfası - Teknik Veriler, UL Sertifikası, Uygulama Notları
Temel Mühendislik Soruları
Mevcut montajımda gerilim aktarımının gerçekleşip gerçekleşmediğini nasıl tahmin edebilirim?
Saksı bileşiğinin büzülmesinden (TDS'den, tipik olarak doğrusal büzülme yüzdesi olarak listelenir), kürlenmiş sistemin modülünden (Shore D - Shore D 80 ile ilişkilidir, kabaca 1.500–2.500 MPa gerilme modülüne karşılık gelir) ve saksı bölümünün geometrisinden birinci- dereceden bir tahmin yapılabilir. Sert bir gömülü arayüzdeki gerilim yaklaşık olarak E × ε'dır; burada E, epoksi modülüdür ve ε, kısıtlı büzülme gerilimidir. Ortaya çıkan değer, lehim bağlantısının veya tel bağı yorulma sınırının önemli bir kısmı ise, gerilim aktarımının meydana gelmesi muhtemeldir. Bu kaba bir tahmindir - geometrisi ve yük yolu ayrıntıları gerçek gerilimi önemli ölçüde etkiler - ancak malzeme seçimini sonlandırmadan önce mekanizmanın ayrıntılı analiz veya deneysel doğrulamayı garanti edip etmediğini tanımlar.
Montaj şu anda sert bir epoksi kullanıyorsa ve gerilim aktarımıyla tutarlı bir saha arıza geçmişine sahipse, yarı-esnek bir alternatif için doğru değerlendirme sırası nedir?
Geri dönen birimlerin - çatlak başlangıç konumunun, çatlak yayılma yolunun ve termal döngü sayısıyla korelasyonunun çapraz-kesit analizi yoluyla arıza mekanizmasını doğrulayarak başlayın. Daha sonra, yarı-esnek adayla aynı geometri ve iyileştirme programında asıl montajın test numunelerini üretin ve sahada gözlemlenen aynı arıza aralığını kapsayan bir döngü sayımına kadar hızlandırılmış termal döngüyü çalıştırın (tipik olarak saha arızalarının ilk ortaya çıktığı döngü sayısının 2–5 katı). Sert ve yarı-esnek numuneler arasındaki başarısızlık oranını ve çatlak başlangıç konumunu karşılaştırın. Bu süreç, termal bisiklet ekipmanının mevcudiyetine bağlı olarak 4-8 hafta sürer, ancak malzeme değişikliği kararı için tek güvenilir temeldir. Veri sayfası karşılaştırması tek başına bu hata mekanizmasının hizmet içi davranışını-tahmin edemez.
Daha düşük-modüllü bir sistem, katı bir sistemden daha mı az çevre koruma sağlar?
Shore A 80–90'daki yarı-esnek sistem, çevre koruma işlevini korur -, düzeneği nem girişine karşı yalıtır, elektrik yalıtımı sağlar ve UL 94 V-0 alev performansını karşılar. Sağlamadığı şey mekanik sertliktir -, sürekli basınç yükü altında deforme olur. Yük taşımayan uygulamalarda çevrenin korunması için-Shore A 80–90 yeterlidir. Önemli olan karşılaştırma, yarı esnek sistemin soyut anlamda "daha az koruma" sağlayıp sağlamadığı değil, Shore D'den Shore A'ya modüldeki azalmanın, montajın hizmet sırasında göreceği spesifik mekanik yüklemeyle ilgili olup olmadığıdır.
Sonraki Adımlar - Fong Yong Chemical ile İletişime Geçin
