Rysunek 1.W zespołach-łączonych drutem, zalanie sztywną żywicą epoksydową powoduje naprężenie skurczowe utwardzające boczne w poprzek pętli drutu łączącego. Naprężenie koncentruje się na pięcie wiązania - w najsłabszym- przekroju drutu -, a uszkodzenie pojawia się po wielu cyklach termicznych, a nie podczas początkowego testu.
Specyfikacja wymagała-ognioodpornej żywicy epoksydowej do zalewania. Wybrano sztywny system o-wysokim module, -dobrze-scharakteryzowany, posiadający-listę UL, udokumentowany Tg i wytrzymałość dielektryczną. Zespół inżynierów był pewny wyboru materiału. Po sześciu miesiącach produkcji w zwróconych egzemplarzach zaczynają pojawiać się awarie połączeń drutowych. Nie wszystkie zwrócone jednostki - około 3% przesyłek z określonego zakresu dat. Analiza-przekroju poprzecznego wykazała pęknięcia drutu łączącego na pięcie, bez śladów nadmiernego-prądu lub wstrząsu mechanicznego. Metalurgia drutu jest normalna. Mocowanie matrycy jest nienaruszone. Wytrzymałość wiązania na przychodzącym materiale mieściła się w granicach specyfikacji.
Dochodzenie nie wykazało, -, ponieważ nie ma tego na liście kontrolnej analizy uszkodzeń -, że pęknięcia wystąpiły na pięcie pętli łączącej, ponieważ sztywna żywica epoksydowa utwardziła się i skurczyła wokół drutu, ciągnąc pętlę na boki podczas jej kurczenia się, koncentrując naprężenia dokładnie na pięcie-, gdzie przekrój poprzeczny drutu przechodzi od wiązania FAB do korpusu drutu. Materiał nie był złego producenta. To był zły moduł.
Większość uszkodzeń zmęczeniowych połączeń lutowanych i połączeń drutowych w zespołach zalanych jest generowana przez kapsułkę, a nie złącze. Hermetyzator przykłada naprężenie. Zmiana geometrii złącza, stopu lub średnicy drutu nie rozwiązuje problemu źródła naprężeń znajdujących się na zewnątrz złącza.
Co robi sztywna żywica epoksydowa podczas utwardzania
Kiedy dwuskładnikowy system epoksydowy jest mieszany i dozowany do wnęki zawierającej elementy elektroniczne, reakcja sieciowania-, w wyniku której powstaje utwardzona substancja stała, powoduje również skurcz objętościowy. W przypadku większości sztywnych systemów zalewania żywicą epoksydową skurcz liniowy mieści się w zakresie 0,2–1,0%. W wartościach bezwzględnych skurcz liniowy 0,5% na utwardzonym odcinku o grubości 30 mm oznacza skurcz 150 µm. Skurcz ten jest ograniczany przez osadzone komponenty i ściany wnęki, które są nieruchome. Żywica nie może się swobodnie kurczyć, - utrzymuje się dzięki przyczepności do wszystkich zwilżanych powierzchni. W rezultacie powstaje pole naprężeń rozłożone w całej utwardzonej objętości, ze szczytowym naprężeniem w najsztywniejszych elementach: przewodach komponentów, połączeniach przewodów, narożnikach urządzenia i połączeniu zalewu z-obudową.
W sztywnym układzie-o wysokim module sprężystości (Shore D 75–95) utwardzony polimer nie może znacząco odkształcić się, aby złagodzić to naprężenie. Pole naprężenia ustawione podczas utwardzania pozostaje w utwardzonej części jako zablokowane-obciążenie. Każdy osadzony komponent i każdy interfejs stykający się z zalewą znajduje się pod ciągłym naprężeniem statycznym powodowanym przez utwardzoną kapsułkę - przed jakimkolwiek obciążeniem eksploatacyjnym, przed jakimkolwiek cyklem termicznym i przed jakimikolwiek wibracjami.
Wielkość tego naprężenia zależy od wielkości skurczu, modułu utwardzonej żywicy epoksydowej, modułu podłoża i składników oraz geometrii. W przypadku typowych sztywnych systemów zalewania na płytkach drukowanych z-otworami przelotowymi i komponentami SMT, naprężenie skurczowe utwardzania na stykach połączeń lutowanych może osiągnąć 5–15 MPa - znacznie poniżej ostatecznej wytrzymałości złącza na rozciąganie, ale wystarczające, aby zmniejszyć jego trwałość zmęczeniową w połączeniu z obciążeniami eksploatacyjnymi.
Wzmocnienie cyklu termicznego
Utwardzanie naprężenia skurczowego jest obciążeniem statycznym. Cykle termiczne to obciążenie dynamiczne. Podczas pracy każde odchylenie temperatury od temperatury utwardzania generuje dodatkowe naprężenia na każdym styku, gdzie współczynnik CTE żywicy epoksydowej różni się od współczynnika CTE sąsiedniego materiału. Amplituda naprężenia na cykl zależy od niedopasowania CTE, wielkości odchylenia temperatury i sztywności materiałów.
W przypadku sztywnej żywicy epoksydowej (WRC ~50–70 ppm/stopień poniżej Tg) połączonej z płytką PCB FR-4 (CTE ~14–18 ppm/stopień w-płaszczyźnie, ~60–80 ppm/stopień na zewnątrz-z-płaszczyzny), miedzianej ramy ołowianej (CTE ~17 ppm/stopień), ceramicznego korpusu kondensatora (CTE ~7–10 ppm/stopień ) i aluminiową obudowę (WRC ~23 ppm/stopień), niedopasowanie CTE na każdym interfejsie generuje naprężenia ścinające podczas każdej zmiany temperatury. W sztywnej kapsułce tego naprężenia ścinającego nie można złagodzić poprzez odkształcenie kapsułki - jest ono przenoszone na najsłabszy interfejs na ścieżce obciążenia.
Najsłabszy interfejs zależy od geometrii złożenia. W modułach łączonych drutem-jest to zazwyczaj wiązanie piętowe lub drugie wiązanie (wiązanie klinowe). W zespołach SMT-o drobnej podziałce jest to złącze lutowane w narożniku-większości elementów, gdzie mimośrodowość względem punktu neutralnego jest największa. W zespołach cewek lub transformatorów z mieszanymi materiałami metalowymi to właśnie styk żywicy epoksydowej-z-obudową jest miejscem, w którym niedopasowanie współczynnika CTE pomiędzy wypełnieniem, drutem i obudową powoduje największe ścinanie.
Połączony efekt statycznego naprężenia skurczowego podczas utwardzania oraz cyklicznego naprężenia termicznego określa trwałość zmęczeniową złącza. Termin naprężenia skurczowego utwardzania podnosi średni poziom naprężenia. Termin cykli termicznych zapewnia amplitudę cykliczną. Obydwa przyczyniają się do inicjacji pęknięć; szybkość propagacji pęknięć zależy od obu warunków.
Dlaczego harmonogram awarii powoduje błędną identyfikację
Błędy w przenoszeniu naprężeń-spowodowane zalewaniem sztywną żywicą epoksydową nie pojawiają się natychmiast po utwardzeniu. Liczba cykli inicjacji pęknięcia zależy od łącznej amplitudy naprężeń, która jest funkcją geometrii i materiałów. W typowych zespołach awarie pojawiają się po 100–500 cyklach termicznych pracy lub po kilku miesiącach do roku ciągłego narażenia na wibracje. Ta oś czasu powoduje stałą błędną identyfikację:
Podczas wstępnego testu- zespół przeszedł wszystkie kontrole elektryczne, hi-pot i kontrolę wzrokową. Naprężenie skurczowe podczas utwardzania jest obecne, ale poniżej progu inicjacji pęknięcia. Nie wykryto żadnej awarii.
Przy wczesnym użyciu w terenie- zespół działa normalnie. Nagromadzone cykle termiczne nie osiągnęły progu inicjacji pęknięć. Nie wykryto żadnej awarii.
W wieku 3–12 miesięcy w służbieZaczynają pojawiać się - awarie. Dochodzenie koncentruje się na uszkodzonym elemencie lub połączeniu, a nie na hermetyczce. Wytrzymałość wiązania drutu na zwróconych jednostkach może być zgodna z otrzymaną specyfikacją, ponieważ przewody, które nie uległy uszkodzeniu, są nienaruszone - statystyczna populacja uszkodzonych przewodów znajduje się już w uszkodzonych jednostkach.
Podczas analizy awariiNa - przekrojach-pokazują pęknięcia na styku spoiny lub złącza lutowanego. Badanie przypisuje to zmęczeniu metalurgicznemu, które jest technicznie dokładne, - propagacja pęknięć zmęczeniowych była ostatecznym rodzajem uszkodzenia -, ale pomija pierwotną przyczynę: podwyższoną amplitudę naprężeń ze sztywnej obudowy.
Prawidłowa identyfikacja pierwotnej przyczyny wymaga porównania wskaźnika awaryjności i wzorca lokalizacji pęknięć z tym, czego można by oczekiwać na podstawie obliczonego pola naprężeń w geometrii doniczkowej. Pęknięcia, które inicjują się w przewidywalnych-miejscach o dużym naprężeniu (piętki spoiny w modułach łączonych drutem-, elementy narożne w układach SMT, wyjścia przewodów w cewkach zalanych) rozmieszczone równomiernie w populacji -, a nie losowo w przypadkowych miejscach -, są zgodne z systematycznym źródłem naprężeń w materiale kapsułkującym.
Co różni kapsułkę o niskim-modułowym działaniu
Pół-elastyczna żywica epoksydowa o współczynniku Shore'a A 80–90 i wydłużeniu około 140% reaguje na skurcz utwardzania i naprężenia cykliczne pod wpływem ciepła poprzez odkształcenie, a nie przenoszenie naprężeń na osadzone elementy. Moduł materiału Shore A 80 jest w przybliżeniu o dwa rzędy wielkości niższy niż Shore D 80 - w ten sam sposób, w jaki gumka i stalowy pręt reagują inaczej na tę samą przyłożoną siłę. Gumka odkształca się. Stalowy pręt przenosi siłę.
Kiedy kapsułka o niskim-module utwardza się i kurczy, nie może generować dużych naprężeń w osadzonych interfejsach, ponieważ jej sztywność jest niewystarczająca, aby wytrzymać duże pole naprężeń. Następuje skurcz, ale żywica odkształca się, aby go dostosować, zamiast przenosić obciążenie skurczowe na sąsiednie elementy. Stan naprężenia szczątkowego w utwardzonej części jest znacznie niższy niż w układzie sztywnym o tym samym stopniu skurczu.
Podczas cykli termicznych układ o niskim-module odkształca się, aby dostosować się do różnicowego ruchu CTE pomiędzy materiałem epoksydowym a osadzonymi materiałami. Naprężenie ścinające na styku jest zmniejszone, ponieważ substancja kapsułkująca porusza się wraz z podłożem, a nie stawia mu opór. Niedopasowanie CTE nadal istnieje - materiały się nie zmieniły - ale naprężenia wynikające z niedopasowania są pochłaniane przez odkształcenie kapsułki, a nie przenoszone na złącze.
Jest to inżynierska podstawa do określenia pół-elastycznego systemu. Nie jest tak, że pół-elastyczny system wzmacnia zespół. Polega na tym, że pół-elastyczny system usuwa kapsułkę jako źródło naprężeń, umożliwiając działanie zespołu w zaprojektowanych warunkach obciążenia bez dodatkowego obciążenia ze strony masy zalewowej.
Rysunek 2.Sztywna żywica epoksydowa nie może się odkształcić, aby skompensować skurcz po utwardzaniu. - naprężenie jest przenoszone na najsłabszy obszar styku na ścieżce obciążenia. Zamiast tego pół-elastyczny system o wydłużeniu ~140% odkształca się, usuwając substancję uszczelniającą jako źródło naprężeń bez zmiany geometrii złącza.
Kompromisy-niskiego modułu: czego nie da pół-elastyczny
Właściwości, które sprawiają, że pół-elastyczny system jest skuteczny w odprężaniu, to te same właściwości, które sprawiają, że nie nadaje się on do zastosowań wymagających sztywności mechanicznej, wsparcia strukturalnego lub agresywnych parametrów termicznych:
Stabilność wymiarowa przy długotrwałym obciążeniu mechanicznym.Shore A 80–90 będzie pełzać pod długotrwałym obciążeniem ściskającym lub ścinającym. Jeśli zalany zespół jest mechanicznie unieruchomiony za pomocą-wciskanego kołka,-wspornika dociskowego wywierającego stałą siłę lub łącznika przenoszącego siłę wstawiania na obszar zalany, pół-elastyczna matryca z czasem odkształci się. Do zastosowań nośnych- wymagana jest sztywna żywica epoksydowa.
Przewodność cieplna.Systemy pół{0}}elastyczne mają przewodność cieplną w tym samym zakresie co standardowe sztywne masy do zalewania -, zazwyczaj 0,5–0,7 W/m·K. Jeśli projekt wymaga, aby warstwa zalewowa przewodziła ciepło z elementu-rozpraszającego moc do powierzchni chłodzącej, pół-system półelastyczny przy tym poziomie przewodności nie zapewni znaczącej poprawy termicznej. Potrzebny jest sztywny system przewodzący ciepło (1,0–1,5 W/m·K).
Zachowanie-grubej sekcji.Właściwości wydłużenia, która sprawia, że pół{0}}elastyczny system jest przydatny do odprężania, towarzyszy wyższe egzotermiczne wytwarzanie ciepła na jednostkę objętości w środku gęstej masy, ponieważ wyższy poziom katalizatora potrzebny do utwardzania w temperaturze pokojowej- powoduje szybszą reakcję. Wylewy o dużej objętości w głębokich sekcjach mogą generować wystarczającą ilość ciepła egzotermicznego, aby spowodować lokalną przegrzanie. Grubość przekroju i objętość wylewu należy sprawdzić przed produkcją.
Pełzanie w wyższej temperaturze roboczej.System Shore A 80–90 pracujący w pobliżu górnej granicy temperatury roboczej (100 stopni w przypadku typowych systemów pół-elastycznych) będzie wykazywał wyższe szybkości pełzania niż system sztywny w tej samej temperaturze. Zastosowania, w których wymagana jest precyzja wymiarowa pod obciążeniem termicznym, powinny wykorzystywać sztywny system o wysokiej-Tg.
Warunki stosowania, gdzie moduł kapsułkowania jest nadrzędnym kryterium wyboru
Poniższe warunki montażu wskazują, że mechanizm-przenoszenia naprężeń jest głównym czynnikiem ryzyka awarii i że moduł kapsułkowania -, a nie wytrzymałość dielektryczna, przewodność cieplna lub Tg - powinien decydować o wyborze materiału:
Moduły łączone drutem-(drut złoty lub miedziany, wiązania kulkowe lub klinowe) zamknięte w sztywnej masie zalewowej, działające pod wpływem cykli termicznych lub wibracji.
Zespoły SMT-o drobnej podziałce (podziałka 0,5 mm lub drobniejsza) z wieloma typami komponentów o różnych współczynnikach CTE - ceramicznych elementach pasywnych, pakietach polimerowych i cewkach z metalowym-korpusem w tym samym obszarze zalewowym.
PCB z cienkimi, niepodpartymi sekcjami lub elastycznymi podłożami zamkniętymi w sztywnej zalewie - różnica sztywności pomiędzy podłożem a zalewą powoduje duże naprężenia międzyfazowe podczas utwardzania.
Zespoły rdzenia ferrytowego (transformatory, cewki indukcyjne, dławiki-wspólne), w których współczynnik CTE korpusu ferrytowego (~10 ppm/stopień) znacznie różni się od CTE otaczającej żywicy epoksydowej (~50–70 ppm/stopień).
Montaże w środowiskach o ciągłych wibracjach (motoryzacja, napędy silników przemysłowych, osprzęt zewnętrzny), gdzie skumulowane obciążenie cykliczne jest dominującym czynnikiem powodującym awarie.
Każdy zespół, w którym wcześniejsza historia awarii wykazuje pęknięcia, sporadyczne otwarcia lub rozwarstwienia, które korelują z liczbą cykli termicznych, a nie z konkretnym zdarzeniem związanym z nadmiernym naprężeniem.
Wybór modułu jako decyzja projektowa, a nie domyślna
Standardowy proces selekcji mas epoksydowych do zalewania w większości procesów zaopatrzenia B2B rozpoczyna się od oceny płomienia (UL 94 V-0), przechodzi do wytrzymałości dielektrycznej, a następnie ocenia harmonogram utwardzania i Tg. Moduł i wydłużenie są często wymieniane na końcu TDS i rzadko mają duże znaczenie przy początkowej selekcji. Kolejność ta odzwierciedla kolejność wymagań dotyczących zgodności – stopień palności jest wymagany prawnie, wytrzymałość dielektryczna jest mierzalna, moduł nie jest uwzględniany w większości norm dotyczących sprzętu.
Konsekwencją jest to, że zespoły o strukturach wrażliwych mechanicznie są rutynowo zalewane sztywnymi związkami o wysokim module-, ponieważ nie było bramki selekcji, która zadawałaby pytanie o moduł. Specyfikacja przeszła kontrolę zgodności. Awaria pojawia się w polu. Dochodzenie nie wraca do procesu selekcji.
Prawidłowym podejściem jest dodanie analizy naprężeń mechanicznych do wczesnego etapu projektowania - przed dokonaniem wyboru materiału do zalewania. Pytanie „jakie naprężenia wywiera ten hermetyzator na zespół podczas utwardzania i serwisu?” należy odpowiedzieć przed określeniem materiału, a nie po powrocie z pierwszego pola.
Wymaga to znajomości przybliżonego skurczu kandydata, modułu utwardzonego układu, współczynnika rozszerzalności cieplnej podłoża i komponentów oraz geometrii sekcji doniczkowej. Żadne z nich nie wymaga analizy elementów skończonych. - oszacowanie pierwszego-rzędu na podstawie właściwości materiału i geometrii wystarczy do ustalenia, czy przeniesienie naprężenia będzie prawdopodobnie głównym mechanizmem awarii przed sfinalizowaniem wyboru materiału.
Powiązany produkt do stosowania w warunkach stresu-Wrażliwe zalewanie montażowe
E759/H759 to dwu-składnikowa, pół{3}}elastyczna epoksydowa masa zalewowa o współczynniku Shore A 80–90 i wydłużeniu przy zerwaniu około 140%. Posiada certyfikat UL 94 V-0 zgodnie z plikiem UL E120665 przy minimalnej grubości 1,58–1,74 mm. Zakres temperatur pracy wynosi od –30 stopni do +100 stopni. Proporcje mieszania wynoszą 100:30 wagowo; Żywotność wynosi około 60 minut dla masy 60 g w temperaturze 25 stopni. Utwardzanie odbywa się w temperaturze pokojowej (7 dni w temperaturze 25 stopni) lub przyśpieszonym ciepłem (50–60 stopni × 2 godziny + 80 stopni × 2 godziny).
Jest to odpowiednie, gdy dominującym ryzykiem jest przenoszenie naprężeń mechanicznych - zmęczenie wiązania drutu, pękanie połączeń lutowanych,-niedopasowanie CTE lub pękanie-wywołane wibracjami. Nie nadaje się do-wylewania konstrukcji nośnych, zarządzania ciepłem-ciepła-o wysokiej temperaturze lub zespołów wymagających sztywności Shore'a D w celu zapewnienia tolerancji wymiarowej. Wybór należy potwierdzić na reprezentatywnych próbkach w ramach rzeczywistego profilu cyklu termicznego zastosowania.
→ 🔗E759/H759 Strona produktu - Dane techniczne, certyfikat UL, uwagi dotyczące zastosowań
Kluczowe pytania inżynieryjne
Jak oszacować, czy w moim bieżącym złożeniu następuje przenoszenie naprężeń?
Oszacowania pierwszego-rzędu można dokonać na podstawie skurczu masy zalewowej (na podstawie TDS, zwykle podawanego jako % skurczu liniowego), modułu utwardzonego układu (skorelowanego z Shore'em D - Shore D 80 odpowiada w przybliżeniu modułowi sprężystości przy rozciąganiu 1500–2500 MPa) i geometrii sekcji zalanej. Naprężenie na sztywnej, osadzonej powierzchni styku wynosi w przybliżeniu E × ε, gdzie E to moduł epoksydowy, a ε to odkształcenie przy ograniczonym skurczu. Jeśli uzyskana wartość stanowi znaczny ułamek wartości granicznej zmęczenia złącza lutowanego lub wiązania drutu, prawdopodobnie nastąpi przeniesienie naprężenia. Jest to przybliżony szacunek, - szczegóły geometrii i ścieżki obciążenia znacząco wpływają na rzeczywiste naprężenia -, ale pozwalają określić, czy mechanizm wymaga szczegółowej analizy lub weryfikacji eksperymentalnej przed sfinalizowaniem wyboru materiału.
Jeśli w zespole zastosowano obecnie sztywną żywicę epoksydową, a historia uszkodzeń w miejscu pracy jest zgodna z przenoszeniem naprężeń, jaka jest prawidłowa sekwencja oceny w przypadku pół-elastycznej alternatywy?
Zacznij od potwierdzenia mechanizmu awarii poprzez-analizę przekrojową zwróconych jednostek - miejsca inicjacji pęknięcia, ścieżki propagacji pęknięcia i korelacji z liczbą cykli termicznych. Następnie wykonaj próbki testowe rzeczywistego zespołu z pół-elastycznego kandydata o tej samej geometrii i harmonogramie utwardzania, a następnie poddaj przyspieszonym cyklom termicznym aż do uzyskania liczby cykli obejmującej ten sam zakres uszkodzeń obserwowany w terenie (zwykle 2–5 razy liczba cykli, w których po raz pierwszy pojawiły się awarie). Porównaj współczynnik awaryjności i miejsce inicjacji pęknięć pomiędzy próbkami sztywnymi i pół{7}}elastycznymi. Proces ten trwa od 4 do 8 tygodni, w zależności od dostępności sprzętu do termocyklingu, ale jest to jedyna wiarygodna podstawa do podjęcia decyzji o istotnej zmianie. Samo porównanie arkuszy danych nie pozwala przewidzieć-działania w przypadku tego mechanizmu awarii.
Czy system o niższym-module zapewnia mniejszą ochronę środowiska niż system sztywny?
Pół-elastyczny system w skali Shore A 80–90 spełnia funkcję ochrony środowiska -, uszczelnia zespół przed wnikaniem wilgoci, zapewnia izolację elektryczną i spełnia parametry płomienia UL 94 V-0. To, czego nie zapewnia, to sztywność mechaniczna. - ulegnie odkształceniu pod długotrwałym obciążeniem ściskającym. Do ochrony środowiska w zastosowaniach-nienośnych-odpowiedni jest Shore A 80–90. Porównanie, które ma znaczenie, dotyczy tego, czy redukcja modułu z Shore D do Shore A ma znaczenie dla konkretnego obciążenia mechanicznego, jakie zespół odnotuje podczas pracy, a nie tego, czy półelastyczny system zapewnia „mniejszą ochronę” w abstrakcyjnym sensie.
Dalsze kroki - Skontaktuj się z firmą Fong Yong Chemical
