Obrázok 1V zostavách spájaných drôtom -vytvára tuhá epoxidová zalievanie napätie pri vytvrdzovaní zmrašťovaním priečne cez slučky spájaného drôtu. Napätie sa sústreďuje na pätku väzby - najslabší prierez-v drôte - a porucha sa objaví po viacerých tepelných cykloch, nie pri počiatočnom teste.
Špecifikácia požadovala epoxidovú zalievaciu hmotu spomaľujúcu horenie-. Bol vybraný pevný, vysoko{2}}modulový systém - dobre-charakterizovaný, UL-uvedený, dokumentovaná Tg a dielektrická pevnosť. Inžiniersky tím si bol istý výberom materiálu. Po šiestich mesiacoch výroby sa vo vrátených jednotkách začnú objavovať poruchy drôteného spoja. Nie všetky vrátené jednotky - predstavujú približne 3 % zásielok z určitého rozsahu dátumov. Analýza priečnych rezov ukazuje zlomeniny spojovacieho drôtu na päte bez dôkazov nadprúdu alebo mechanického šoku. Metalurgia drôtu je normálna. Upevnenie matrice je neporušené. Pevnosť väzby v ťahu na prichádzajúcom materiáli bola v rámci špecifikácie.
Vyšetrovanie nezistilo -, pretože to nie je v kontrolnom zozname analýzy zlyhania -, je to, že zlomeniny sa vyskytli na päte slučky spoja, pretože tuhý epoxid vytvrdol a zmrštil sa okolo drôtu, ťahal slučku bočne, keď sa zmršťovala, pričom napätie sústreďovalo presne na pätu, kde prierez drôtu- prechádza z telesa FAB spoja do drôtu. Materiál nebol nesprávny výrobca. Bol to nesprávny modul.
Väčšinu únavových porúch spájkovaného spoja a drôteného spoja v zaliatych zostavách spôsobuje zapuzdrenie, nie spoj. Zapuzdrenie pôsobí namáhavo. Zmena geometrie spoja, zliatiny alebo priemeru drôtu nerieši zdroj napätia, ktorý je vonkajší vzhľadom na spoj.
Čo robí tuhý epoxid počas vytvrdzovania
Keď sa dvoj{0}}zložkový epoxidový systém zmieša a nadávkuje do dutiny obsahujúcej elektronické súčiastky, reakcia zosieťovania, ktorá vytvára vytvrdenú pevnú látku, tiež spôsobí objemové zmrštenie. Pre väčšinu pevných epoxidových zalievacích systémov je lineárne zmršťovanie v rozsahu 0,2–1,0 %. V absolútnom vyjadrení 0,5 % lineárne zmrštenie na 30 mm vytvrdnutom úseku znamená 150 μm kontrakciu. Táto kontrakcia je obmedzená vloženými komponentmi a stenami dutiny, ktoré sa nepohybujú. Živica sa nemôže voľne sťahovať - je priľnavá k všetkým povrchom, ktoré zmáča. Výsledkom je pole napätia rozložené v celom vytvrdenom objeme so špičkovým napätím na najpevnejších prvkoch: vodiče komponentov, drôtené spoje, rohy zariadenia a rozhranie medzi zaliatím-k{14}}krytu.
V tuhom-systéme s vysokým modulom (Shore D 75–95) sa vytvrdený polymér nemôže výrazne deformovať, aby uvoľnil toto napätie. Pole napätia, ktoré bolo nastavené počas vytvrdzovania, zostáva vo vytvrdenej časti ako uzamknuté-zaťaženie. Každý vložený komponent a každé rozhranie, ktoré je v kontakte so zalievaním, je vystavené trvalému statickému namáhaniu vytvrdeného zapuzdrenia - pred akoukoľvek prevádzkovou záťažou, pred akýmkoľvek tepelným cyklovaním, pred akoukoľvek vibráciou.
Veľkosť tohto napätia závisí od veľkosti zmrštenia, modulu vytvrdeného epoxidu, modulu substrátu a komponentov a geometrie. V prípade typických pevných zalievacích systémov na doskách plošných spojov s priechodnými-dierami a komponentmi SMT môže napätie pri zmrašťovaní pri vytvrdzovaní na rozhraniach spájkovaných spojov dosiahnuť 5–15 MPa - výrazne pod medzu pevnosti v ťahu spoja, ale postačujúce na zníženie jeho únavovej životnosti v kombinácii s prevádzkovým zaťažením.
Thermal Cycling Amplification
Napätie pri zmrašťovaní pri vytvrdnutí je statické zaťaženie. Tepelné cyklovanie je dynamická záťaž. V prevádzke každá odchýlka teploty od teploty vytvrdzovania generuje dodatočné napätie na každom rozhraní, kde sa CTE epoxidu líši od CTE susedného materiálu. Amplitúda napätia na cyklus závisí od nesúladu CTE, veľkosti odchýlky teploty a tuhosti materiálov.
Pre tuhý epoxid (CTE ~50–70 ppm/stupeň pod Tg) napojený na FR-4 PCB (CTE ~14–18 ppm/stupeň v-rovine, ~60–80 ppm/stupeň z-z-roviny), rám keramického vývodu 7 stupňov (appmTE ~1) ~7–10 ppm/stupeň) a hliníkový kryt (CTE ~23 ppm/stupeň), nesúlad CTE na každom rozhraní generuje šmykové napätie pri každej zmene teploty. V tuhom zapuzdrení sa toto šmykové napätie nemôže uvoľniť deformáciou zapuzdrenia - prenáša sa na najslabšie rozhranie v dráhe zaťaženia.
Najslabšie rozhranie závisí od geometrie zostavy. V drôtených-moduloch je to zvyčajne pätka väzby alebo druhá väzba (klinová väzba). V zostavách SMT s jemným -rozstupom je to spájkovaný spoj v rohu- väčšiny komponentov, kde je excentricita od neutrálneho bodu najvyššia. V zostavách cievok alebo transformátorov so zmiešanými kovovými materiálmi je to rozhranie epoxidu-k{7}}krytu, kde nesúlad CTE medzi výplňou, drôtom a krytom vytvára najvyšší šmyk.
Kombinovaný účinok statického namáhania pri zmrašťovaní pri vytvrdnutí a cyklického tepelného namáhania určuje únavovú životnosť spoja. Termín namáhania pri zmrašťovaní zvyšuje strednú úroveň stresu. Termín tepelného cyklovania poskytuje cyklickú amplitúdu. Obidve prispievajú k iniciácii trhliny; rýchlosť šírenia trhlín závisí od oboch pojmov.
Prečo časová os zlyhania spôsobuje nesprávnu identifikáciu
Poruchy prenosu stresu- spôsobené tuhým epoxidovým zalievaním sa neobjavia ihneď po vytvrdnutí. Počet cyklov iniciácie trhlín závisí od kombinovanej amplitúdy napätia, ktorá je funkciou geometrie a materiálov. V typických zostavách sa poruchy objavia po 100 – 500 tepelných cykloch v prevádzke alebo po niekoľkých mesiacoch až roku nepretržitého vystavenia vibráciám. Táto časová os spôsobuje konzistentnú nesprávnu identifikáciu:
Pri počiatočnom teste- zostava prešla všetkými elektrickými kontrolami, kontrolou-a vizuálnou kontrolou. Napätie zmrašťovania pri vytvrdzovaní je prítomné, ale pod prahom iniciácie trhliny. Nie je zistené žiadne zlyhanie.
Pri ranom použití v teréne- zostava funguje normálne. Akumulované tepelné cykly nedosiahli prah iniciácie trhlín. Nie je zistené žiadne zlyhanie.
Po 3-12 mesiacoch v prevádzkeZačína sa objavovať - zlyhania. Vyšetrovanie sa zameriava na chybný komponent alebo spoj, nie na zapuzdrenú látku. Pevnosť v ťahu drôtu na vrátených jednotkách môže spĺňať prichádzajúce špecifikácie, pretože drôty, ktoré nezlyhali, sú neporušené - štatistická populácia zlyhaných káblov je už v chybných jednotkách.
Počas analýzy porúch- priečne-rezy ukazujú praskliny na päte spoja alebo na rozhraní spájkovaného spoja. Výskum to pripisuje metalurgickej únave, ktorá je technicky presná - šírenie únavovej trhliny bolo konečným režimom porušenia -, ale vynecháva hlavnú príčinu: zvýšenú amplitúdu napätia z tuhého zapuzdrenia.
Správna identifikácia základnej príčiny vyžaduje porovnanie miery zlyhania a vzoru umiestnenia trhlín s tým, čo by sa dalo očakávať z vypočítaného poľa napätia v geometrii črepníka. Trhliny, ktoré vznikajú na predvídateľných miestach vysokého-namáhania (spojovacie pätky v drôtených-moduloch spájaných, rohové komponenty v poliach SMT, výstupy olova v zaliatych cievkach) distribuované rovnomerne v populácii - a nie náhodne na náhodných miestach -, sú v súlade so systematickým zdrojom napätia v zapuzdrení.
Čo robí kapsula s nízkym-modulom inak
Polopružný epoxid s Shore A 80–90 a predĺžením približne 140 % reaguje na zmršťovanie pri vytvrdzovaní a tepelné cyklické namáhanie skôr deformáciou než prenášaním napätia na zabudované komponenty. Modul materiálu Shore A 80 je približne o dva rády nižší ako modul Shore D 80 - rovnakým spôsobom, ako gumový pás a oceľová tyč reagujú odlišne na rovnakú aplikovanú silu. Gumička sa deformuje. Oceľová tyč prenáša silu.
Keď zapuzdrená látka s nízkym{0}}modulom vytvrdzuje a zmršťuje sa, nemôže vytvárať veľké napätie na vložených rozhraniach, pretože jej tuhosť je nedostatočná na udržanie veľkého poľa napätia. Dochádza k zmršťovaniu, ale živica sa deformuje, aby sa prispôsobila, a nie prenášala kontrakčné zaťaženie na susedné komponenty. Stav zvyškového napätia vo vytvrdnutej časti je podstatne nižší ako v tuhom systéme s rovnakým percentom zmrštenia.
Počas tepelného cyklovania sa systém s nízkym -modulom deformuje, aby sa prispôsobil rozdielnemu pohybu CTE medzi epoxidom a vloženými materiálmi. Šmykové napätie na rozhraní je znížené, pretože zapuzdrená látka sa skôr pohybuje so substrátom, než by mu odolávala. Nezhoda CTE stále existuje - materiály sa nezmenili -, ale napätie, ktoré je výsledkom nesúladu, je absorbované deformáciou zapuzdrenej látky, a nie prenášané do spoja.
Toto je inžiniersky základ pre špecifikáciu čiastočne-flexibilného systému. Nie je to tak, že čiastočne-flexibilný systém robí zostavu pevnejšou. Je to tak, že poloflexibilný systém odstraňuje zapuzdrenie ako zdroj napätia, čo umožňuje zostave pracovať pri navrhovaných podmienkach zaťaženia bez dodatočného zaťaženia zo zalievacej hmoty.
Obrázok 2Pevný epoxid sa nemôže deformovať, aby sa prispôsobil zmršťovaniu vytvrdzovania - napätie sa prenáša na najslabšie rozhranie v dráhe zaťaženia. Poloflexibilný systém s ~140% predĺžením sa namiesto toho deformuje a odstraňuje zapuzdrenie ako zdroj napätia bez zmeny geometrie spoja.
Výmena-nízkych modulov: Čo polopružná-flexibilná nedokáže urobiť
Vlastnosti, vďaka ktorým je semi{0}}flexibilný systém účinný na zmiernenie napätia, sú tie isté, kvôli ktorým nie je vhodný pre aplikácie vyžadujúce mechanickú tuhosť, štrukturálnu podporu alebo agresívny tepelný výkon:
Rozmerová stabilita pri trvalom mechanickom zaťažení.Shore A 80–90 sa pri trvalom zaťažení tlakom alebo šmykom bude dotvarovať. Ak je zostava črepníka mechanicky obmedzená lisovacím-čapom, pridržiavacou-spodnou konzolou, ktorá pôsobí trvalou silou, alebo konektorom, ktorý prenáša silu vloženia do črepníka, polopružná matrica sa časom zdeformuje. Na nosné-aplikácie je potrebný tuhý epoxid.
Tepelná vodivosť.Polo{0}}flexibilné systémy majú tepelnú vodivosť v rovnakom rozsahu ako štandardné tuhé zalievacie zmesi - zvyčajne 0,5 – 0,7 W/m·K. Ak konštrukcia vyžaduje, aby zalievacia vrstva odvádzala teplo z-súčiastky rozptyľujúcej energiu na chladiaci povrch, poloflexibilný systém na tejto úrovni vodivosti nezabezpečí zmysluplné tepelné zlepšenie. Potrebný je tepelne vodivý tuhý systém (1,0–1,5 W/m·K).
Správanie-hrubej sekcie.Vlastnosť predĺženia, vďaka ktorej je semi{0}}flexibilný systém užitočný na zmiernenie napätia, je sprevádzaná vyššou tvorbou exotermického tepla na jednotku objemu v strede hustej liatiny, pretože vyššia hladina katalyzátora potrebná na vytvrdzovanie pri izbovej teplote- spôsobuje rýchlejšiu reakciu. Veľké objemy kvapalín v hlbokých častiach môžu generovať dostatok exotermického tepla, ktoré spôsobí lokálnu nadmernú teplotu. Hrúbka rezu a objem nalievania by sa mali pred výrobou overiť.
Plazenie pri hornej prevádzkovej teplote.Systém Shore A 80–90, ktorý pracuje v blízkosti horného limitu prevádzkovej teploty (100 stupňov pre typické polo{3}}flexibilné systémy), bude vykazovať vyššie rýchlosti tečenia ako pevný systém pri rovnakej teplote. Aplikácie, kde sa vyžaduje rozmerová presnosť pri tepelnom zaťažení, by mali používať pevný systém s vysokým-Tg.
Podmienky aplikácie, kde je modul zapuzdrenia rozhodujúcim kritériom výberu
Nasledujúce montážne podmienky naznačujú, že hlavným rizikom zlyhania je mechanizmus prenosu napätia- a že výber materiálu by mal riadiť modul zapuzdrenia -, a nie dielektrická pevnosť, tepelná vodivosť alebo Tg -:
Drôtené-moduly (zlatý alebo medený drôt, guľôčkové alebo klinové spoje) uzavreté v pevnej zalievacej hmote fungujúce pri tepelných cykloch alebo vibráciách.
Zostavy SMT s jemným{0}}rozstupom (rozstup 0,5 mm alebo jemnejšie) s viacerými typmi komponentov s rôznymi CTE - keramickými pasívmi, polymérovými obalmi a kovovými-tlmivkami v rovnakom zaliatom priestore.
PCB s tenkými, nepodporovanými časťami alebo flexibilnými substrátmi uzavretými v pevnom zaliatí - rozdiel tuhosti medzi substrátom a zalievaním generuje počas vytvrdzovania vysoké medzifázové napätie.
Zostavy feritového jadra (transformátory, induktory, tlmivky so spoločným{0}}režimom), kde sa CTE feritového tela (~10 ppm/stupeň) podstatne líši od okolitého epoxidového CTE (~50–70 ppm/stupeň).
Zostavy v prostredí s nepretržitými vibráciami (automobilový priemysel, priemyselné motorové pohony, vonkajšie zariadenia), kde je dominantným faktorom zlyhania kumulatívne cyklické zaťaženie.
Akákoľvek zostava, kde predchádzajúca história porúch vykazuje praskanie, prerušované otváranie alebo delamináciu, ktoré koreluje s počtom tepelných cyklov a nie so špecifickým prepätím.
Výber modulu ako rozhodnutie o návrhu, nie ako predvolené
Štandardný proces výberu epoxidových zalievacích zmesí vo väčšine pracovných postupov obstarávania B2B začína hodnotením horľavosti (UL 94 V-}0), prechádza na dielektrickú pevnosť a potom sa hodnotí plán vytvrdzovania a Tg. Modul a predĺženie sú v TDS často uvedené na poslednom mieste a len zriedka sa im pri počiatočnom výbere kladie veľký dôraz. Toto poradie odzrkadľuje postupnosť požiadaviek na zhodu – stupeň horľavosti je zákonom nariadený, dielektrická pevnosť je merateľná, modul nie je vo väčšine noriem zariadení.
Dôsledkom je, že zostavy s mechanicky citlivými štruktúrami sú bežne zalievané tuhými zlúčeninami s vysokým -modulom, pretože neexistovala žiadna selekčná brána, ktorá by položila otázku modulu. Špecifikácia prechádza kontrolou zhody. Porucha sa objaví v poli. Vyšetrovanie sa nevracia do výberového konania.
Správnym prístupom je pridať analýzu mechanického namáhania do počiatočnej fázy návrhu - pred výberom zalievacej zmesi. Otázka "aké namáhanie táto zapuzdrovacia látka pôsobí na zostavu počas vytvrdzovania a prevádzky?" musí byť zodpovedané pred špecifikovaním materiálu, nie po návrate prvého poľa.
To si vyžaduje poznať približné zmrštenie kandidátskej zlúčeniny, modul vytvrdeného systému, CTE substrátu a komponentov a geometriu zalievanej časti. Žiadna z nich nevyžaduje analýzu konečných prvkov -, odhad prvého{2}}radu z materiálových vlastností a geometrie je dostatočný na to, aby sa pred dokončením výberu materiálu určilo, či je prenos napätia pravdepodobne rozhodujúcim mechanizmom zlyhania.
Súvisiaci produkt na stres-citlivé montážne zalievanie
E759/H759 je dvoj-zložková, polo{3}}flexibilná epoxidová zalievacia hmota s Shore A 80–90 a približne 140 % predĺžením pri pretrhnutí. Je certifikovaný UL 94 V-}0 podľa UL File E120665 s minimálnou hrúbkou 1,58–1,74 mm. Rozsah prevádzkovej teploty je –30 stupňov až +100 stupňov . Pomer zmesi je 100:30 hmotnostne; doba spracovateľnosti je približne 60 minút pre 60 g masu pri 25 stupňoch. Vytvrdzovanie prebieha pri izbovej teplote (7 dní pri 25 stupňoch) alebo zrýchleným teplom (50–60 stupňov × 2 hodiny + 80 stupňov × 2 hodiny).
Je vhodné, keď dominantným rizikom je mechanický prenos napätia - únava spoja drôtu, praskanie spájkovaného spoja, -delaminácia nesúladu CTE alebo lom-spôsobený vibráciami. Nie je vhodný pre nosné{4}}konštrukčné zalievanie, tepelné riadenie s vysokým-tepelným-tokom alebo zostavy vyžadujúce tuhosť Shore D kvôli rozmerovej tolerancii. Výber by sa mal validovať na reprezentatívnych vzorkách podľa aktuálneho profilu tepelného cyklu aplikácie.
→ 🔗E759/H759 Produktová stránka - Technické údaje, certifikácia UL, poznámky k aplikácii
Kľúčové technické otázky
Ako odhadnem, či v mojej súčasnej zostave dochádza k prenosu napätia?
Odhad prvého{0}}radu možno urobiť zo zmrštenia zalievacej hmoty (z TDS, zvyčajne uvádzané ako % lineárneho zmrštenia), modulu vytvrdnutého systému (korelovaný s Shore D - Shore D 80 zodpovedá približne 1 500 – 2 500 MPa modulu v ťahu) a geometrie črepníka. Napätie na tuhom zabudovanom rozhraní je približne E × ε, kde E je epoxidový modul a ε je obmedzené napätie pri zmršťovaní. Ak je výsledná hodnota významným zlomkom medze únavy spájkovaného spoja alebo drôteného spoja, pravdepodobne dôjde k prenosu napätia. Toto je hrubý odhad -, geometria a podrobnosti o dráhe zaťaženia významne ovplyvňujú skutočné napätie -, ale identifikuje, či mechanizmus vyžaduje podrobnú analýzu alebo experimentálne overenie pred dokončením výberu materiálu.
Ak zostava v súčasnosti používa tuhý epoxid a má históriu zlyhania v súlade s prenosom napätia, aká je správna postupnosť hodnotenia pre polo-flexibilnú alternatívu?
Začnite potvrdením mechanizmu zlyhania prostredníctvom -analýzy prierezu vrátených jednotiek - miesta iniciácie trhliny, cesty šírenia trhliny a korelácie s počtom tepelných cyklov. Potom vytvorte testovacie vzorky skutočnej zostavy s poloflexibilným kandidátom pri rovnakej geometrii a rozvrhu vytvrdzovania a spustite zrýchlené tepelné cyklovanie na počet cyklov, ktorý pokrýva rovnaký rozsah porúch pozorovaný v teréne (zvyčajne 2–5-násobok počtu cyklov, pri ktorých sa poruchy v poli prvýkrát objavili). Porovnajte mieru zlyhania a miesto iniciácie trhlín medzi pevnými a polo{7}}flexibilnými vzorkami. Tento proces trvá 4–8 týždňov v závislosti od dostupnosti zariadenia na tepelný cyklizmus, ale je to jediný spoľahlivý základ pre rozhodnutie o zmene materiálu. Samotné porovnanie údajových hárkov nepredpovedá{12}}správanie služby pre tento mechanizmus zlyhania.
Poskytuje nižší-modulový systém menšiu ochranu životného prostredia ako pevný?
Polo{0}}flexibilný systém v Shore A 80–90 si zachováva funkciu ochrany životného prostredia -, utesňuje zostavu proti vniknutiu vlhkosti, poskytuje elektrickú izoláciu a spĺňa požiadavky normy UL 94 V-0 pre horľavosť. To, čo neposkytuje, je mechanická tuhosť -, ktorá sa deformuje pri trvalom zaťažení tlakom. Na ochranu životného prostredia v-nenosných{14}}aplikáciách je vhodný Shore A 80–90. Dôležité je porovnanie, či je zníženie modulu z Shore D na Shore A relevantné pre špecifické mechanické zaťaženie, ktoré bude mať zostava v prevádzke, nie to, či poloflexibilný systém poskytuje „menej ochrany“ v abstraktnom zmysle.
Ďalšie kroky - Kontaktujte Fong Yong Chemical
