Figura 1.În ansamblurile de sârmă-lipit, ghiveciul epoxidic rigid aplică stresul de contracție de întărire lateral peste buclele de sârmă de legătură. Tensiunea se concentrează la călcâiul de legătură - cea mai slabă secțiune transversală-din sârmă - și defecțiunea apare după mai multe cicluri termice, nu la testarea inițială.
Specificația prevedea un compus epoxidic pentru ghiveci-ignifug. Un sistem rigid,-modulus înalt a fost selectat - bine-caracterizat, listat UL-, Tg și rigiditate dielectrică documentate. Echipa de ingineri a avut încredere în alegerea materialului. La șase luni de la producție, în unitățile returnate încep să apară defecțiuni ale legăturilor. Nu toate unitățile returnate - aproximativ 3% din expedierile dintr-un anumit interval de date. Analiza-secțiunii transversale arată fracturi ale firului de legătură la călcâi, fără nicio dovadă de supra-curenți sau șoc mecanic. Metalurgia firului este normală. Atașarea matriței este intactă. Rezistența la tracțiune pe materialul de intrare a fost în limitele specificațiilor.
Ceea ce investigația nu găsește - deoarece nu se află în lista de verificare a analizei defecțiunilor - este că fracturile au avut loc la călcâiul buclei de legătură, deoarece epoxidul rigid s-a întărit și s-a contractat în jurul sârmei, trăgând bucla lateral pe măsură ce se micșora, concentrând stresul exact la călcâiul în care trecerea firului -secțiunea transversală a corpului sârmei AB trece. Materialul nu a fost producătorul greșit. A fost modul greșit.
Cele mai multe defecțiuni la oboseala îmbinărilor de lipit și a legăturii sârmei în ansamblurile în ghivece sunt generate de încapsulant, nu de îmbinare. Încapsulantul aplică stresul. Modificarea geometriei îmbinării, a aliajului sau a diametrului firului nu se adresează unei surse de tensiuni care este externă îmbinării.
Ce face epoxidul rigid în timpul întăririi
Când un sistem epoxidic cu două-componente este amestecat și distribuit într-o cavitate care conține componente electronice, reacția de reticulare-care produce solidul întărit produce, de asemenea, o contracție volumetrică. Pentru majoritatea sistemelor de ghiveci epoxidice rigide, contracția liniară este în intervalul 0,2–1,0%. În termeni absoluți, o contracție liniară de 0,5% pe o secțiune întărită de 30 mm înseamnă 150 μm de contracție. Această contracție este constrânsă de componentele încorporate și de pereții cavității, care nu se mișcă. Rășina nu se poate contracta liber - este ținută prin aderența sa pe toate suprafețele pe care le udă. Rezultatul este un câmp de stres distribuit pe întreg volumul întărit, cu stres maxim la caracteristicile cele mai rigide: cabluri ale componentelor, legături de sârmă, colțurile dispozitivului și interfața-la-carcasă.
Într-un sistem rigid, cu -modul înalt (Shore D 75–95), polimerul întărit nu se poate deforma semnificativ pentru a elibera acest stres. Câmpul de tensiune care a fost setat în timpul întăririi rămâne în partea întărită ca o încărcătură blocată-. Fiecare componentă încorporată și fiecare interfață în contact cu ghiveciul este supusă unui stres static susținut de la încapsulantul întărit - înainte de orice sarcină de serviciu, înainte de orice ciclu termic, înainte de orice vibrație.
Mărimea acestei tensiuni depinde de mărimea contracției, modulul epoxidului întărit, modulul substratului și componentelor și geometria. Pentru sistemele de potting rigide tipice pe plăci de circuite cu orificii traversante și componente SMT, tensiunea de contracție la vindecare la interfețele îmbinărilor de lipire poate ajunge la 5–15 MPa - mult sub rezistența maximă la întindere a îmbinării, dar suficientă pentru a-i reduce durata de viață la oboseală atunci când este combinată cu sarcinile de serviciu.
Amplificarea Ciclului Termic
Tensiunea de contracție la vindecare este o sarcină statică. Ciclul termic este o sarcină dinamică. În funcționare, fiecare excursie de temperatură de la temperatura de întărire generează stres suplimentar la fiecare interfață unde CTE-ul epoxidului diferă de CTE-ul materialului adiacent. Amplitudinea tensiunii pe ciclu depinde de nepotrivirea CTE, de magnitudinea excursiei de temperatură și de rigiditatea materialelor.
Pentru o epoxidă rigidă (CTE ~50–70 ppm/grad sub Tg) lipită la un PCB FR{-4 (CTE ~14–18 ppm/grad în plan-, ~60–80 ppm/grad în-din-plan), un cadru de plumb de cupru (CTE ~ 18 ppm/grad în plan), un cadru de plumb de cupru (CTE/grad 1C7 ppm) ~7–10 ppm/grad) și o carcasă din aluminiu (CTE ~23 ppm/grad), nepotrivirea CTE la fiecare interfață generează stres de forfecare în timpul fiecărei schimbări de temperatură. Într-un încapsulant rigid, acest efort de forfecare nu poate fi atenuat prin deformarea încapsulantului - este transmis la cea mai slabă interfață din calea sarcinii.
Cea mai slabă interfață depinde de geometria ansamblului. În modulele-imbinate cu sârmă, este de obicei călcâiul de legătură sau a doua legătură (legarea pe pană). În ansamblurile SMT cu pas fin-, aceasta este îmbinarea de lipit în colțul-cele mai multe poziții ale componentelor, unde excentricitatea din punctul neutru este cea mai mare. În ansamblurile bobine sau transformatoare cu materiale metalice amestecate, este interfața epoxi-la-carcasă unde nepotrivirea CTE dintre umplutură, fir și carcasă produce cea mai mare forfecare.
Efectul combinat al tensiunii statice de contracție de întărire plus stresul termic ciclic determină durata de viață la oboseală a îmbinării. Termenul de stres de contracție de vindecare crește nivelul mediu de stres. Termenul de ciclu termic furnizează amplitudinea ciclică. Ambele contribuie la inițierea fisurii; viteza de propagare a fisurii depinde de ambii termeni.
De ce cronologia eșecului cauzează identificarea greșită
Eșecurile-transferului de stres cauzate de ghiveciul epoxidic rigid nu apar imediat după întărire. Numărul ciclului de inițiere a fisurii depinde de amplitudinea combinată a tensiunii, care este o funcție de geometrie și materiale. În ansamblurile tipice, defecțiunile apar după 100-500 de cicluri termice în funcțiune sau după câteva luni până la un an de expunere continuă la vibrații. Această cronologie provoacă identificarea greșită consistentă:
La testul inițial- ansamblul trece toate verificările electrice, inspecția hi-oală și vizuală. Tensiunea de contracție la întărire este prezentă, dar sub pragul de inițiere a fisurii. Nu este detectată nicio eroare.
La utilizarea timpurie pe teren- ansamblul funcționează normal. Ciclurile termice acumulate nu au atins pragul de inițiere a fisurii. Nu este detectată nicio eroare.
La 3-12 luni în serviciuÎncep să apară - erori. Investigația se concentrează pe componenta sau îmbinarea defectată, nu pe încapsulant. Rezistența de tracțiune a legăturii firelor pe unitățile returnate poate îndeplini specificațiile primite, deoarece firele care nu s-au defectat sunt intacte - populația statistică de fire defectate este deja în unitățile defectate.
În timpul analizei defecțiunilor- Secțiunile transversale- arată crăpături la nivelul călcâiului de lipire sau a interfeței îmbinării de lipit. Investigația atribuie acest lucru oboselii metalurgice, care este precisă din punct de vedere tehnic - propagarea fisurilor de oboseală a fost modul final de defecțiune -, dar omite cauza principală: amplitudine crescută a tensiunii din încapsulantul rigid.
Identificarea corectă a cauzei rădăcină necesită compararea ratei de cedare și a modelului de localizare a fisurilor cu ceea ce ar fi de așteptat de la câmpul de tensiuni calculat în geometria ghiveciului. Crăpăturile care inițiază în locații previzibile de presă mare-(calcuri de legătură în modulele de sârmă-legate, componente de colț în rețele SMT, ieșiri de plumb în bobine în ghivece) distribuite uniform în întreaga populație - mai degrabă decât aleatoriu în locații aleatorii - sunt în concordanță cu o sursă sistematică de stres în încapsulant.
Ce face diferit un encapsulant cu modul redus{0}
Un epoxidic semi-flexibil cu Shore A 80–90 și alungire de aproximativ 140% răspunde la contracția de întărire și la solicitarea ciclică termică prin deformare, mai degrabă decât prin transferarea tensiunii asupra componentelor încorporate. Modulul unui material Shore A 80 este cu aproximativ două ordine de mărime mai mic decât Shore D 80 -, în același mod în care o bandă de cauciuc și o tijă de oțel răspund diferit la aceeași forță aplicată. Banda de cauciuc se deformează. Tija de oțel transmite forța.
Atunci când un încapsulant cu{0}}modul scăzut se întărește și se micșorează, nu poate genera stres ridicat la interfețele încorporate, deoarece rigiditatea sa este insuficientă pentru a susține un câmp de stres mare. Are loc contracția, dar rășina se deformează pentru a o adapta mai degrabă decât să transmită sarcina de contracție la componentele adiacente. Starea de tensiune reziduală în piesa întărită este substanțial mai mică decât într-un sistem rigid cu același procent de contracție.
În timpul ciclării termice, sistemul cu modul -scăzut se deformează pentru a se adapta mișcării CTE diferențiale dintre epoxid și materialele încorporate. Tensiunea de forfecare la interfață este redusă deoarece încapsulantul se mișcă cu substratul, mai degrabă decât să-i reziste. Nepotrivirea CTE încă există - materialele nu s-au schimbat - dar efortul care rezultă din nepotrivire este absorbit de deformarea încapsulantului, mai degrabă decât transferat la îmbinare.
Aceasta este baza de inginerie pentru specificarea unui sistem semi-flexibil. Nu este că sistemul semi-flexibil face ansamblul mai puternic. Este faptul că sistemul semi-flexibil îndepărtează încapsulantul ca sursă de stres, permițând ansamblului să funcționeze în condițiile de încărcare proiectate fără sarcina suplimentară impusă de compusul de ghiveci.
Figura 2.Un epoxidic rigid nu se poate deforma pentru a se potrivi contracției de întărire - stresul este transmis la cea mai slabă interfață din calea de încărcare. În schimb, se deformează un sistem semi-flexibil cu ~140% alungire, eliminând încapsulantul ca sursă de stres fără a modifica geometria îmbinării.
Compartimentul-modulului scăzut: ceea ce semi-flexibilul nu poate face
Proprietățile care fac ca un sistem semi-flexibil să fie eficient pentru reducerea tensiunilor sunt aceleași proprietăți care îl fac nepotrivit pentru aplicații care necesită rigiditate mecanică, suport structural sau performanță termică agresivă:
Stabilitate dimensională sub sarcină mecanică susținută.Shore A 80–90 se va glisa sub sarcină de compresiune sau forfecare susținută. Dacă ansamblul cu ghiveci este constrâns mecanic de un știft de fixare prin presare-, un suport de prindere-în jos care exercită o forță susținută sau un conector care transmite forța de inserție în zona ghiveciului, matricea semi-flexibilă se va deforma în timp. Pentru aplicațiile cu sarcină-este necesar un epoxid rigid.
Conductivitate termică.Sistemele semi-flexibile au conductivitate termică în același interval ca și compușii de ghiveci rigidi standard -, de obicei 0,5–0,7 W/m·K. În cazul în care proiectarea necesită ca stratul de ghiveci să conducă căldura de la o componentă-de disipare a puterii către o suprafață de răcire, un sistem semi-flexibil la acest nivel de conductivitate nu va oferi o îmbunătățire termică semnificativă. Este necesar un sistem rigid conductiv termic (1,0–1,5 W/m·K).
Comportamentul-secțiunii groase.Proprietatea de alungire care face ca un sistem semi{0}}flexibil să fie util pentru reducerea tensiunilor este însoțită de o generare mai mare de căldură exotermă pe unitate de volum în centrul unei turnări groase, deoarece nivelul mai ridicat de catalizator necesar pentru întărirea la temperatura camerei-produce o reacție mai rapidă. Toarnările de volum mare în secțiuni adânci pot genera suficientă căldură exotermă pentru a provoca supratemperatura locală. Grosimea secțiunii și volumul de turnare trebuie validate înainte de producție.
Se strecoară la temperatura superioară de serviciu.Un sistem Shore A 80–90 care funcționează în apropierea limitei sale superioare de temperatură de serviciu (100 de grade pentru sisteme semi-flexibile obișnuite) va prezenta rate de fluaj mai mari decât un sistem rigid la aceeași temperatură. Aplicațiile în care este necesară precizie dimensională sub sarcină termică ar trebui să utilizeze un sistem rigid,-Tg ridicat.
Condiții de aplicare în care modulul de încapsulare este criteriul de selecție
Următoarele condiții de asamblare indică faptul că mecanismul de transfer al tensiunii-determină riscul de defectare și că modulul de încapsulare -, mai degrabă decât rigiditatea dielectrică, conductibilitatea termică sau Tg -, ar trebui să determine selecția materialului:
Sârmă-module lipite (sârmă de aur sau de cupru, bile sau legături cu pană) închise într-un compus de ghiveci rigid, care funcționează sub cicluri termice sau vibrații.
Ansambluri SMT cu pas fin-(pas de 0,5 mm sau mai fin) cu mai multe tipuri de componente având diferite CTE-uri - pasive ceramice, pachete de polimeri și inductori-corp metalic în aceeași zonă cu ghiveci.
PCB-uri cu secțiuni subțiri, nesuportate sau substraturi flexibile, închise în ghivece rigide - diferența de rigiditate dintre substrat și ghiveci generează stres interfacial ridicat în timpul întăririi.
Ansambluri cu miez de ferită (transformatoare, inductori, bobine de modul{0}}obișnuit) în care corpul de ferită CTE (~10 ppm/grad) este substanțial diferit de CTE epoxidic din jur (~50–70 ppm/grad).
Ansambluri în medii cu vibrații continue (auto, motoare industriale, dispozitive exterioare) în care sarcina ciclică cumulată este principalul factor de eroare.
Orice ansamblu în care istoricul defecțiunilor anterioare arată fisuri, deschideri intermitente sau delaminare care se corelează cu numărul ciclului termic, mai degrabă decât cu un eveniment de suprasolicitare specific.
Selectarea modulului ca decizie de proiectare, nu implicită
Procesul standard de selecție pentru compușii epoxidici pentru ghiveci în majoritatea fluxurilor de lucru de achiziții B2B începe cu evaluarea la flacără (UL 94 V-0), trece la rezistența dielectrică și apoi evaluează programul de întărire și Tg. Modulul și alungirea sunt adesea enumerate ultimele în TDS și rareori sunt ponderate puternic în selecția inițială. Această comandă reflectă succesiunea cerințelor de conformitate - ratingul de flacără este obligatoriu prin lege, rezistența dielectrică este măsurabilă, modulul nu este în majoritatea standardelor de echipamente.
Consecința este că ansamblurile cu structuri sensibile din punct de vedere mecanic sunt în mod obișnuit acoperite cu compuși rigizi, cu-modul înalt, deoarece nu a existat nicio poartă de selecție care să pună întrebarea cu modulul. Specificația a trecut de evaluarea conformității. Eșecul apare pe teren. Ancheta nu revine la procesul de selecție.
Abordarea corectă este să adăugați o analiză mecanică a tensiunii în faza incipientă de proiectare - înainte de a face selecția compusului de ghiveci. Întrebarea „ce tensiuni se aplică acest încapsulant ansamblului în timpul întăririi și exploatării?” trebuie răspuns înainte de a specifica un material, nu după ce primul câmp revine.
Acest lucru necesită cunoașterea contracției aproximative a compusului candidat, modulul sistemului întărit, CTE al substratului și componentelor și geometria secțiunii în ghivece. Niciuna dintre acestea nu necesită o analiză cu elemente finite - o estimare de prim-ordin din proprietățile și geometria materialului este suficientă pentru a determina dacă transferul de tensiuni este probabil să fie un mecanism de cedare care guvernează înainte ca selecția materialului să fie finalizată.
Produs similar pentru ghivece pentru asamblare sensibile la stres-
E759/H759 este un compus de ghiveci epoxidic semi{-flexibil, cu două-componente, cu Shore A 80–90 și aproximativ 140% alungire la rupere. Este certificat UL 94 V-0 conform Fișierului UL E120665 la o grosime minimă de 1,58–1,74 mm. Intervalul de temperatură de serviciu este de la –30 grade până la +100 grade . Raportul de amestec este de 100:30 în greutate; durata de viață este de aproximativ 60 de minute pentru o masă de 60 g la 25 de grade. Întărirea se face la temperatura camerei (7 zile la 25 de grade) sau accelerată de căldură (50–60 de grade × 2 ore + 80 grade × 2 ore).
Este adecvat atunci când riscul dominant este oboseala prin transferul de tensiuni mecanice - aderarea firului, fisurarea îmbinărilor de lipit, delaminarea nepotrivirii CTE-sau fractura-indusă de vibrații. Nu este potrivit pentru ghiveci structurale portante-sarcină, management termic cu flux ridicat de-căldură- sau ansambluri care necesită rigiditate Shore D pentru toleranță dimensională. Selecția ar trebui validată pe specimene reprezentative în conformitate cu profilul real al ciclului termic al aplicației.
→ 🔗E759/H759 Pagina produsului - Date tehnice, Certificare UL, Note de aplicare
Întrebări cheie de inginerie
Cum estimez dacă are loc transferul de stres în ansamblul meu actual?
O estimare de prim ordin poate fi făcută din contracția compusului de ghiveci (din TDS, de obicei listată ca % contracție liniară), modulul sistemului de întărire (corelat cu Shore D - Shore D 80 corespunde cu aproximativ 1.500–2.500 MPa), modulul geometriei tensilului și modulul de tracțiune al geometriei. Tensiunea la o interfață încorporată rigidă este de aproximativ E × ε, unde E este modulul epoxidic și ε este deformarea de contracție constrânsă. Dacă valoarea rezultată este o fracțiune semnificativă din limita de oboseală a îmbinării de lipit sau a legăturii sârmei, este probabil să aibă loc transferul de tensiuni. Aceasta este o estimare aproximativă - geometria și detaliile traseului de încărcare afectează în mod semnificativ solicitarea reală -, dar identifică dacă mecanismul necesită o analiză detaliată sau o validare experimentală înainte de finalizarea selecției materialului.
Dacă ansamblul utilizează în prezent un epoxidic rigid și are un istoric de defecțiuni în câmp compatibil cu transferul de tensiuni, care este secvența corectă de evaluare pentru o alternativă semi-flexibilă?
Începeți prin a confirma mecanismul de defecțiune prin analiza-secțiunii transversale a unităților returnate - locația de inițiere a fisurilor, calea de propagare a fisurii și corelarea cu numărul ciclului termic. Apoi produceți eșantioane de testare ale ansamblului real cu candidatul semi-flexibil la aceeași geometrie și program de întărire și rulați cicluri termice accelerate la un număr de cicluri care acoperă același interval de defecțiuni observat pe teren (de obicei, 2–5 ori numărul de cicluri în care au apărut pentru prima dată defecțiunile câmpului). Comparați rata de eșec și locația de inițiere a fisurilor între specimenele rigide și semi-flexibile. Acest proces durează 4-8 săptămâni, în funcție de disponibilitatea echipamentului de ciclism termic, dar este singura bază de încredere pentru o decizie de schimbare a materialului. Numai compararea foilor de date nu prezice comportamentul-serviciului pentru acest mecanism de eșec.
Un sistem cu modul-inferior oferă mai puțină protecție a mediului decât unul rigid?
Un sistem semi-flexibil de la Shore A 80–90 păstrează funcția de protecție a mediului - etanșează ansamblul împotriva pătrunderii umezelii, asigură izolație electrică și îndeplinește performanța la flacără UL 94 V-0. Ceea ce nu oferă este rigiditate mecanică - se va deforma sub sarcină de compresiune susținută. Pentru protecția mediului în aplicații care nu poartă sarcină, Shore A 80–90 este adecvat. Comparația care contează este dacă reducerea modulului de la Shore D la Shore A este relevantă pentru încărcarea mecanică specifică pe care o va vedea ansamblul în funcționare, nu dacă sistemul semiflexibil oferă „protecție mai mică” într-un sens abstract.
Următorii pași - Contactați Fong Yong Chemical
