Obrázek 1V sestavách spojených drátem-vytvářejí tuhé epoxidové zalévání namáhání při vytvrzení smršťováním příčně přes smyčky spojovacího drátu. Napětí se soustředí na patu vazby - nejslabší průřez-v drátu - a porucha se objeví po několika tepelných cyklech, nikoli při počáteční zkoušce.
Specifikace požadovala epoxidovou zalévací hmotu-zpomalující hoření. Byl vybrán tuhý,-systém s vysokým modulem -dobře-charakterizovaný, UL-sepsaný, dokumentovaná Tg a dielektrická pevnost. Inženýrský tým si byl jistý výběrem materiálu. Po šesti měsících od výroby se u vrácených jednotek začnou objevovat poruchy drátěného spoje. Ne všechny vrácené jednotky - představují zhruba 3 % zásilek z určitého časového období. Analýza průřezu ukazuje zlomeniny spojovacího drátu na patě bez známek nadproudového nebo mechanického šoku. Metalurgie drátu je normální. Nástavec matrice je neporušený. Pevnost vazby v tahu na vstupním materiálu byla v rámci specifikace.
Vyšetřování nenalezlo -, protože to není v kontrolním seznamu analýzy selhání -, je to, že ke zlomeninám došlo na patě smyčky spoje, protože tuhý epoxid vytvrdil a smrštil se kolem drátu, při smršťování smyčku tahal do strany a soustředil napětí přesně na patu, kde průřez drátu- přechází z těla FAB do drátu. Materiál nebyl špatný výrobce. Byl to špatný modul.
Většina únavových poruch pájeného spoje a drátového spoje v zalitých sestavách je způsobena zapouzdřovací látkou, nikoli spojem. Zapouzdřující látka působí namáháním. Změna geometrie spoje, slitiny nebo průměru drátu neřeší zdroj napětí, který je vně spoje.
Co dělá tuhý epoxid během vytvrzování
Když se dvou{0}}složkový epoxidový systém smíchá a nadávkuje do dutiny obsahující elektronické součástky, zesíťovací reakce, která vytváří vytvrzenou pevnou látku, také způsobí objemové smrštění. U většiny tuhých epoxidových zalévacích systémů je lineární smrštění v rozsahu 0,2–1,0 %. V absolutních číslech znamená 0,5% lineární smrštění na 30 mm vytvrzené části 150 μm smrštění. Tato kontrakce je omezena vloženými součástmi a stěnami dutiny, které se nepohybují. Pryskyřice se nemůže volně stahovat - je držena svou přilnavostí ke všem povrchům, které smáčí. Výsledkem je pole napětí rozložené po celém vytvrzovaném objemu s maximálním napětím na nejtuhších prvcích: vývody součástí, drátové spoje, rohy zařízení a rozhraní zalévání-k{14}}krytu.
V tuhém systému s vysokým -modulem (Shore D 75–95) se vytvrzený polymer nemůže výrazně deformovat, aby zmírnil toto napětí. Pole napětí, které bylo nastaveno během vytvrzování, zůstává ve vytvrzené části jako uzamčené-zatížení. Každá vestavěná součást a každé rozhraní, které je v kontaktu se zalitím, je vystaveno trvalému statickému namáhání vytvrzeným zapouzdřením - před jakýmkoli provozním zatížením, před jakýmkoli tepelným cyklem, před jakoukoli vibrací.
Velikost tohoto napětí závisí na velikosti smrštění, modulu vytvrzeného epoxidu, modulu substrátu a součástí a geometrii. U typických pevných zalévacích systémů na deskách plošných spojů s průchozími{1}}děrami a součástmi SMT může smršťovací napětí při vytvrzení na rozhraních pájených spojů dosáhnout 5–15 MPa - značně pod konečnou pevností spoje v tahu, ale dostatečné ke snížení jeho únavové životnosti v kombinaci s provozním zatížením.
Thermal Cycling Amplification
Smršťovací napětí při vytvrzení je statické zatížení. Tepelné cyklování je dynamická zátěž. Při provozu každá odchylka teploty od vytvrzovací teploty generuje dodatečné napětí na každém rozhraní, kde se CTE epoxidu liší od CTE sousedního materiálu. Amplituda napětí na cyklus závisí na nesouladu CTE, velikosti odchylky teploty a tuhosti materiálů.
Pro tuhý epoxid (CTE ~50–70 ppm/stupeň pod Tg) napojený na desku plošných spojů FR-4 (CTE ~14–18 ppm/stupeň v-rovině, ~60–80 ppm/stupeň z-z-roviny), rám keramického vývodu 7 stupňů (appmTE/1 kondenzátor) ~7–10 ppm/stupeň) a hliníkový kryt (CTE ~23 ppm/stupeň), nesoulad CTE na každém rozhraní generuje smykové napětí při každé změně teploty. U tuhého zapouzdřeni nelze toto smykové napětí uvolnit deformací zapouzdření - přenáší se na nejslabší rozhraní v dráze zatížení.
Nejslabší rozhraní závisí na geometrii sestavy. U modulů s drátěným{1}}vazem je to obvykle patka vazby nebo druhá vazba (klínová vazba). V sestavách SMT s jemným roztečím je to pájený spoj v rohu-většiny součástek, kde je excentricita od neutrálního bodu nejvyšší. V sestavách cívek nebo transformátorů se smíšenými kovovými materiály je to rozhraní epoxidové -k-skříni, kde nesoulad CTE mezi výplní, drátem a krytem vytváří nejvyšší smyk.
Kombinovaný účinek statického namáhání při smršťování a cyklického tepelného namáhání určuje únavovou životnost spoje. Termín vytvrzení smršťovacího napětí zvyšuje střední úroveň napětí. Termín tepelného cyklování poskytuje cyklickou amplitudu. Oba přispívají k iniciaci trhliny; rychlost šíření trhliny závisí na obou pojmech.
Proč časová osa selhání způsobuje nesprávnou identifikaci
Poruchy přenosu napětí- způsobené tuhým epoxidovým zaléváním se neobjeví ihned po vytvrzení. Počet cyklů iniciace trhlin závisí na kombinované amplitudě napětí, která je funkcí geometrie a materiálů. V typických sestavách se poruchy objevují po 100–500 tepelných cyklech v provozu nebo po několika měsících až roce nepřetržitého vystavení vibracím. Tato časová osa způsobuje konzistentní chybnou identifikaci:
Při prvotním testu- sestava prošla všemi elektrickými kontrolami, kontrolou-a vizuální kontrolou. Napětí ze smrštění při vytvrzení je přítomno, ale pod prahem iniciace trhlin. Nebylo zjištěno žádné selhání.
Při raném použití v terénu- sestavení funguje normálně. Akumulované tepelné cykly nedosáhly prahu iniciace trhliny. Nebylo zjištěno žádné selhání.
Po 3–12 měsících provozuZačíná se objevovat - selhání. Vyšetřování se zaměřuje na vadnou součást nebo spoj, nikoli na zapouzdřovací látku. Pevnost v tahu drátů na vrácených jednotkách může odpovídat příchozí specifikaci, protože dráty, které se nezhroutily, jsou neporušené - statistická populace vadných drátů je již ve vadných jednotkách.
Při analýze poruch- příčné-řezy ukazují praskliny na patě spoje nebo rozhraní pájeného spoje. Výzkum to připisuje metalurgické únavě, která je technicky přesná - šíření únavové trhliny bylo konečným způsobem porušení -, ale opomíjí hlavní příčinu: zvýšenou amplitudu napětí z tuhého zapouzdření.
Správná identifikace hlavní příčiny vyžaduje srovnání četnosti poruch a vzoru umístění trhlin s tím, co by se dalo očekávat z vypočítaného pole napětí v geometrii zalité. Praskliny, které vznikají na předvídatelných místech vysokého-namáhání (spojovací patky v drátěných-modulech, rohové součásti v polích SMT, výstupy olova v zalitých cívkách), rozmístěné rovnoměrně po celé populaci - spíše než náhodně na náhodných místech -, jsou konzistentní se systematickým zdrojem napětí v zapouzdře.
Co dělá zapouzdřovací prostředek s nízkým-modulem jinak
Polopružný epoxid s Shore A 80–90 a prodloužením přibližně 140 % reaguje na smrštění při vytvrzování a tepelné cyklické namáhání deformací, spíše než přenášením napětí na vložené součásti. Modul materiálu Shore A 80 je přibližně o dva řády nižší než modul Shore D 80 - stejným způsobem, jako pryžový pás a ocelová tyč reagují odlišně na stejnou aplikovanou sílu. Gumička se deformuje. Ocelová tyč přenáší sílu.
Když se zapouzdřující látka s nízkým{0}}modulem vytvrzuje a smršťuje, nemůže generovat vysoké napětí na vložených rozhraních, protože její tuhost není dostatečná k udržení velkého pole napětí. Dochází ke smrštění, ale pryskyřice se deformuje, aby se přizpůsobila, spíše než aby přenášela kontrakční zatížení na sousední součásti. Stav zbytkového napětí ve vytvrzeném dílu je podstatně nižší než u tuhého systému se stejným procentem smrštění.
Během tepelného cyklování se systém s nízkým -modulem deformuje, aby se přizpůsobil rozdílnému pohybu CTE mezi epoxidem a vloženými materiály. Smykové napětí na rozhraní je sníženo, protože zapouzdřující látka se spíše pohybuje se substrátem, než aby mu odolávala. Neshoda CTE stále existuje - materiály se nezměnily -, ale napětí, které je důsledkem neshody, je absorbováno deformací zapouzdření, spíše než aby bylo přeneseno do spoje.
Toto je technický základ pro specifikaci částečně-flexibilního systému. Není to tak, že by částečně-flexibilní systém dělal sestavu pevnější. Jde o to, že poloflexibilní systém odstraňuje zapouzdření jako zdroj napětí a umožňuje sestavě pracovat za podmínek navrženého zatížení bez dodatečného zatížení ze zalévací hmoty.
Obrázek 2Tuhý epoxid se nemůže deformovat, aby se přizpůsobil smršťování vytvrzením - napětí se přenáší na nejslabší rozhraní v dráze zatížení. Polopružný systém s ~140% prodloužením se místo toho deformuje a odstraňuje zapouzdření jako zdroj napětí, aniž by se změnila geometrie spoje.
The trade-Offs of Low Modulus: Co Semi-Flexible neumí
Vlastnosti, díky kterým je semi{0}}flexibilní systém účinný pro odlehčení napětí, jsou tytéž vlastnosti, kvůli kterým je nevhodný pro aplikace vyžadující mechanickou tuhost, konstrukční podporu nebo agresivní tepelné vlastnosti:
Rozměrová stabilita při trvalém mechanickém zatížení.Shore A 80–90 se při trvalém tlakovém nebo smykovém zatížení dotvaruje. Pokud je sestava zalitky mechanicky omezena lisovacím-kolíkem, přidržovacím-svorníkem, který vyvíjí trvalou sílu, nebo konektorem, který přenáší sílu vložení do zalité oblasti, polopružná matrice se časem deformuje. Pro nosné-aplikace je vyžadován tuhý epoxid.
Tepelná vodivost.Polo{0}}flexibilní systémy mají tepelnou vodivost ve stejném rozsahu jako standardní tuhé zalévací hmoty - obvykle 0,5–0,7 W/m·K. Pokud návrh vyžaduje, aby zalévací vrstva odváděla teplo ze složky rozptylující energii-na chladicí povrch, poloflexibilní systém na této úrovni vodivosti nezajistí smysluplné tepelné zlepšení. Je zapotřebí tepelně vodivý tuhý systém (1,0–1,5 W/m·K).
Chování tlustých{0}}sekcí.Vlastnost protažení, díky které je polopružný systém užitečný pro zmírnění napětí, je doprovázena vyšší tvorbou exotermického tepla na jednotku objemu ve středu hustého lití, protože vyšší hladina katalyzátoru potřebná pro vytvrzování při pokojové teplotě- způsobuje rychlejší reakci. Velké objemy v hlubokých úsecích mohou generovat dostatek exotermického tepla, které způsobí místní přehřátí. Tloušťka řezu a objem nalití by měly být před výrobou ověřeny.
Creep při horní provozní teplotě.Systém Shore A 80–90 pracující v blízkosti horního limitu provozní teploty (100 stupňů pro typické polo{3}}flexibilní systémy) bude vykazovat vyšší rychlosti tečení než tuhý systém při stejné teplotě. Aplikace, kde je vyžadována rozměrová přesnost při tepelném zatížení, by měly používat tuhý systém s vysokou-Tg.
Podmínky aplikace, kde je modul zapouzdření rozhodujícím kritériem výběru
Následující montážní podmínky naznačují, že rozhodujícím rizikem selhání je mechanismus přenosu napětí - a že výběr materiálu by měl řídit spíše modul zapouzdření - než dielektrická pevnost, tepelná vodivost nebo Tg -:
Drátěné-moduly (zlatý nebo měděný drát, kuličkové nebo klínové spoje) uzavřené v tuhé zalévací hmotě fungující při tepelném cyklování nebo vibracích.
Sestavy SMT s jemným -roztečím (rozteč 0,5 mm nebo jemnější) s více typy součástí s různými CTE - keramickými pasivy, polymerovými pouzdry a kovovými- induktory ve stejné zalité oblasti.
DPS s tenkými, nepodporovanými sekcemi nebo pružnými substráty uzavřenými v tuhém zalití - rozdíl tuhosti mezi substrátem a zalitím generuje během vytvrzování vysoké mezifázové napětí.
Sestavy feritového jádra (transformátory, induktory, tlumivky se společným{0}}režimem), kde se CTE feritového těla (~10 ppm/stupeň) podstatně liší od okolního epoxidového CTE (~50–70 ppm/stupeň).
Sestavy v prostředí s nepřetržitými vibracemi (automobily, průmyslové motorové pohony, venkovní zařízení), kde je dominantním faktorem poruchy kumulativní cyklické zatížení.
Jakákoli sestava, kde předchozí historie selhání vykazuje praskání, přerušované otevírání nebo delaminaci, která koreluje s počtem tepelných cyklů spíše než s konkrétní událostí přepětí.
Výběr modulu jako rozhodnutí o návrhu, nikoli jako výchozí
Standardní proces výběru pro epoxidové zalévací hmoty ve většině pracovních postupů B2B nákupu začíná hodnocením plamene (UL 94 V-}0), přechází na dielektrickou pevnost a poté vyhodnocuje plán vytvrzování a Tg. Modul a prodloužení jsou v TDS často uvedeny jako poslední a jen zřídka se jim při počátečním výběru klade větší důraz. Toto pořadí odráží pořadí požadavků na shodu – stupeň plamene je zákonem předepsán, dielektrická pevnost je měřitelná, modul není ve většině norem pro zařízení.
Důsledkem je, že sestavy s mechanicky citlivými strukturami jsou běžně zalévány tuhými-sloučeninami s vysokým modulem, protože neexistovala žádná selekční brána, která by otázku modulu položila. Specifikace prochází kontrolou souladu. Porucha se objeví v poli. Vyšetřování se do výběrového řízení nevrací.
Správným přístupem je přidat analýzu mechanického namáhání do rané fáze návrhu - před výběrem zalévací hmoty. Otázka "jaká namáhání tato zapouzdřovací látka působí na sestavu během vytvrzování a provozu?" musí být zodpovězeno před uvedením materiálu, nikoli poté, co se vrátí první pole.
To vyžaduje znát přibližné smrštění kandidátské sloučeniny, modul vytvrzeného systému, CTE substrátu a komponent a geometrii zalité části. Žádný z nich nevyžaduje analýzu konečných prvků -, odhad prvního{2}}řádu z materiálových vlastností a geometrie je dostatečný k tomu, aby bylo možné určit, zda je přenos napětí pravděpodobně rozhodujícím mechanismem selhání, než bude výběr materiálu dokončen.
Související produkt pro zalévání-citlivých sestav
E759/H759 je dvou-složková, semi{3}}flexibilní epoxidová zalévací hmota s Shore A 80–90 a přibližně 140% prodloužením při přetržení. Má certifikaci UL 94 V-}0 podle souboru UL E120665 při minimální tloušťce 1,58–1,74 mm. Rozsah provozních teplot je –30 stupňů až +100 stupňů. Směsný poměr je 100:30 hmotnostně; doba zpracovatelnosti je přibližně 60 minut pro 60g hmotu při 25 stupních. Vytvrzování probíhá při pokojové teplotě (7 dní při 25 stupních) nebo urychleným teplem (50–60 stupňů × 2 hodiny + 80 stupňů × 2 hodiny).
Je vhodné, když je dominantním rizikem mechanická únava spoje drátu z přenosu napětí -, praskání pájeného spoje, delaminace CTE-nesouladu nebo lom způsobený vibracemi-. Není vhodný pro nosné{4}}konstrukční zalévání, tepelné řízení s vysokým-tepelným-tokem nebo pro sestavy vyžadující tuhost Shore D kvůli rozměrové toleranci. Výběr by měl být validován na reprezentativních vzorcích podle aktuálního profilu tepelného cyklu aplikace.
→ 🔗 Produktová stránka E759/H759 - Technické údaje, certifikace UL, poznámky k aplikaci
Klíčové inženýrské otázky
Jak odhadnu, zda v mé aktuální sestavě dochází k přenosu napětí?
Odhad prvního -řádu lze provést ze smrštění zalévací hmoty (z TDS, typicky uváděné jako % lineárního smrštění), modulu vytvrzeného systému (korelovaný s Shore D - Shore D 80 odpovídá zhruba 1 500–2 500 MPa modulu v tahu) a geometrie zalitého průřezu. Napětí na tuhém zapuštěném rozhraní je přibližně E × ε, kde E je epoxidový modul a ε je omezené napětí ze smrštění. Pokud je výsledná hodnota významným zlomkem meze únavy pájeného spoje nebo drátového spoje, pravděpodobně dojde k přenosu napětí. Toto je hrubý odhad - geometrie a podrobnosti o dráze zatížení významně ovlivňují skutečné napětí -, ale určuje, zda mechanismus vyžaduje podrobnou analýzu nebo experimentální ověření před dokončením výběru materiálu.
Pokud sestava v současné době používá tuhý epoxid a má historii selhání v souladu s přenosem napětí, jaká je správná posloupnost hodnocení pro semi{0}}flexibilní alternativu?
Začněte potvrzením mechanismu selhání prostřednictvím-analýzy vrácených jednotek - místa iniciace trhliny, cesty šíření trhliny a korelace s počtem tepelných cyklů. Poté vytvořte zkušební vzorky skutečné sestavy s poloflexibilním kandidátem se stejnou geometrií a rozvrhem vytvrzování a spusťte zrychlené tepelné cyklování na počet cyklů, který pokrývá stejný rozsah selhání pozorovaný v terénu (obvykle 2–5násobek počtu cyklů, kdy se selhání v poli poprvé objevilo). Porovnejte poruchovost a místo iniciace trhlin mezi tuhými a polopružnými vzorky. Tento proces trvá 4–8 týdnů v závislosti na dostupnosti zařízení pro tepelný cykl, ale je to jediný spolehlivý základ pro rozhodnutí o změně materiálu. Samotné porovnání datových listů nepředpovídá{12}}provozní chování tohoto mechanismu selhání.
Poskytuje nižší-modulový systém menší ochranu životního prostředí než pevný?
Polo{0}}flexibilní systém u Shore A 80–90 si zachovává funkci ochrany životního prostředí - utěsňuje sestavu proti vnikání vlhkosti, poskytuje elektrickou izolaci a splňuje požadavky na plamen UL 94 V-0. Co neposkytuje, je mechanická tuhost -, která se deformuje při trvalém tlakovém zatížení. Pro ochranu životního prostředí v nenosných{14} aplikacích je Shore A 80–90 dostačující. Důležité je srovnání, zda je snížení modulu z Shore D na Shore A relevantní pro specifické mechanické zatížení, které bude sestava pozorovat v provozu, nikoli to, zda poloflexibilní systém poskytuje "menší ochranu" v abstraktním smyslu.
Další kroky - Kontaktujte Fong Yong Chemical
