Gambar 1.Pada rakitan-perikatan kawat, pot epoksi yang kaku menerapkan tegangan penyusutan secara lateral pada loop kawat ikatan. Tegangan terkonsentrasi pada tumit ikatan - penampang terlemah pada kawat - dan kegagalan muncul setelah beberapa siklus termal, bukan pada pengujian awal.
Spesifikasinya memerlukan-senyawa pot epoksi yang tahan api. Sistem modulus-kaku dan tinggi dipilih dengan karakteristik yang - baik-terdaftar UL-, Tg dan kekuatan dielektrik yang terdokumentasi. Tim teknik yakin dengan pilihan material. Enam bulan setelah produksi, kegagalan ikatan kawat mulai muncul di unit yang dikembalikan. Tidak semua unit dikembalikan - sekitar 3% dari pengiriman dari rentang tanggal tertentu. Analisis penampang-menunjukkan keretakan kawat ikatan di bagian tumit, tanpa bukti adanya arus berlebih-atau guncangan mekanis. Metalurgi kawatnya normal. Lampiran die masih utuh. Kekuatan tarikan ikatan pada material yang masuk berada dalam spesifikasi.
Apa yang tidak ditemukan dalam penyelidikan - karena tidak ada dalam daftar periksa analisis kegagalan - adalah bahwa patahan terjadi pada bagian tumit loop ikatan karena epoksi kaku mengeras dan berkontraksi di sekitar kawat, menarik loop ke samping saat menyusut, memusatkan tegangan tepat pada bagian tumit di mana transisi-penampang kawat dari ikatan FAB ke badan kawat. Bahannya pun tidak salah pabrikan. Itu adalah modulus yang salah.
Sebagian besar kegagalan kelelahan sambungan solder dan ikatan kawat pada rakitan pot disebabkan oleh enkapsulan, bukan oleh sambungan. Enkapsulan menerapkan tekanan. Mengubah geometri sambungan, paduan, atau diameter kawat tidak mengatasi sumber tegangan yang berada di luar sambungan.
Apa yang Dilakukan Epoksi Kaku Selama Perawatan
Ketika sistem epoksi dua-komponen dicampur dan disalurkan ke dalam rongga yang berisi komponen elektronik, reaksi-tautan silang yang menghasilkan padatan yang diawetkan juga menghasilkan penyusutan volumetrik. Untuk sebagian besar sistem pot epoksi yang kaku, penyusutan linier berada pada kisaran 0,2–1,0%. Secara absolut, penyusutan linier 0,5% pada bagian yang diawetkan sepanjang 30 mm berarti kontraksi sebesar 150 μm. Kontraksi ini dibatasi oleh komponen yang tertanam dan dinding rongga yang tidak bergerak. Resin tidak dapat berkontraksi dengan bebas - resin tertahan oleh daya rekatnya pada semua permukaan yang dibasahi. Hasilnya adalah medan tegangan yang didistribusikan ke seluruh volume yang diawetkan, dengan tegangan puncak pada fitur yang paling kaku: kabel komponen, ikatan kawat, sudut perangkat, dan antarmuka-ke-housing.
Dalam sistem modulus-tinggi yang kaku (Shore D 75–95), polimer yang diawetkan tidak dapat berubah bentuk secara signifikan untuk menghilangkan tekanan ini. Bidang tegangan yang disetel selama proses curing tetap berada di bagian yang diawetkan sebagai beban-terkunci. Setiap komponen tertanam dan setiap antarmuka yang bersentuhan dengan pot berada di bawah tekanan statis yang berkelanjutan dari enkapsulan yang diawetkan - sebelum beban servis apa pun, sebelum siklus termal apa pun, sebelum getaran apa pun.
Besarnya tegangan ini bergantung pada besarnya penyusutan, modulus epoksi yang diawetkan, modulus substrat dan komponen, serta geometri. Untuk sistem pot kaku pada papan sirkuit dengan lubang tembus dan komponen SMT, tegangan penyusutan pada antarmuka sambungan solder dapat mencapai 5–15 MPa - jauh di bawah kekuatan tarik akhir sambungan, namun cukup untuk mengurangi masa lelahnya bila digabungkan dengan beban servis.
Amplifikasi Siklus Termal
Cure shrinkage stress merupakan beban statis. Siklus termal adalah beban dinamis. Dalam pelayanan, setiap perubahan suhu dari suhu pengeringan menghasilkan tekanan tambahan pada setiap antarmuka di mana CTE epoksi berbeda dari CTE material di dekatnya. Amplitudo tegangan per siklus bergantung pada ketidaksesuaian CTE, besaran perpindahan suhu, dan kekakuan material.
Untuk epoksi kaku (CTE ~50–70 ppm/derajat di bawah Tg) yang direkatkan ke PCB FR-4 (CTE ~14–18 ppm/derajat dalam-bidang, ~60–80 ppm/derajat keluar-dari-bidang), rangka timah tembaga (CTE ~17 ppm/derajat ), badan kapasitor keramik (CTE ~7–10 ppm/derajat ), dan dalam selungkup aluminium (CTE ~23 ppm/derajat ), ketidakcocokan CTE pada setiap antarmuka menghasilkan tegangan geser selama setiap perubahan suhu. Dalam enkapsulan kaku, tegangan geser ini tidak dapat dihilangkan dengan deformasi enkapsulan - tegangan ini ditransmisikan ke antarmuka terlemah dalam jalur beban.
Antarmuka terlemah bergantung pada geometri rakitan. Dalam modul-ikatan kawat, biasanya berupa tumit ikatan atau ikatan kedua (ikatan baji). Dalam rakitan SMT dengan nada halus, ini adalah sambungan solder di sudut-posisi sebagian besar komponen, dengan eksentrisitas dari titik netral paling tinggi. Pada rakitan koil atau trafo dengan material logam campuran, ini adalah antarmuka-ke-housing di mana ketidakcocokan CTE antara pengisi, kawat, dan selungkup menghasilkan geseran tertinggi.
Efek gabungan dari penyembuhan stres statis penyusutan ditambah stres termal siklik menentukan umur kelelahan sambungan. Istilah stres penyusutan yang disembuhkan meningkatkan tingkat stres rata-rata. Istilah siklus termal memberikan amplitudo siklik. Keduanya berkontribusi pada inisiasi crack; laju perambatan retak bergantung pada kedua istilah tersebut.
Mengapa Garis Waktu Kegagalan Menyebabkan Kesalahan Identifikasi
Stres-kegagalan transfer yang disebabkan oleh pot epoksi yang kaku tidak muncul segera setelah proses penyembuhan. Jumlah siklus inisiasi retakan bergantung pada amplitudo tegangan gabungan, yang merupakan fungsi geometri dan material. Pada umumnya, kegagalan muncul setelah 100–500 siklus termal digunakan, atau setelah beberapa bulan hingga satu tahun terkena getaran terus menerus. Garis waktu ini menyebabkan kesalahan identifikasi yang konsisten:
Pada tes awal- perakitan melewati semua pemeriksaan kelistrikan, hi-pot, dan inspeksi visual. Tegangan penyusutan yang disembuhkan ada tetapi di bawah ambang batas inisiasi retak. Tidak ada kegagalan yang terdeteksi.
Pada penggunaan lapangan awal- perakitan berfungsi normal. Akumulasi siklus termal belum mencapai ambang batas inisiasi retakan. Tidak ada kegagalan yang terdeteksi.
Pada usia 3–12 bulan- kegagalan mulai muncul. Investigasi berfokus pada komponen atau sambungan yang rusak, bukan pada enkapsulannya. Kekuatan tarikan ikatan kawat pada unit yang dikembalikan mungkin memenuhi spesifikasi yang masuk karena kabel yang tidak rusak masih utuh - populasi statistik dari kabel yang rusak sudah ada di unit yang gagal.
Selama analisis kegagalan- penampang-terlihat retak pada antarmuka sambungan solder atau tumit ikatan. Investigasi mengaitkan hal ini dengan kelelahan metalurgi, yang secara teknis akurat - perambatan retak lelah adalah mode kegagalan akhir - namun menghilangkan akar penyebabnya: peningkatan amplitudo tegangan dari enkapsulan kaku.
Identifikasi akar penyebab yang benar memerlukan perbandingan tingkat kegagalan dan pola lokasi retak dengan apa yang diharapkan dari bidang tegangan yang dihitung dalam geometri pot. Retakan yang dimulai pada lokasi-tekanan tinggi yang dapat diprediksi (tumit ikatan pada modul terikat kawat, komponen sudut dalam susunan SMT, pintu keluar timah dalam kumparan pot) didistribusikan secara merata ke seluruh populasi - dan bukan secara acak di lokasi acak - konsisten dengan sumber tekanan sistematis dalam enkapsulan.
Perbedaan Fungsi Enkapsulan Modulus Rendah
Epoksi semi-fleksibel dengan Shore A 80–90 dan perpanjangan sekitar 140% merespons pengurangan penyusutan dan tekanan siklus termal dengan melakukan deformasi, bukan memindahkan tekanan ke komponen tertanam. Modulus material Shore A 80 kira-kira dua kali lipat lebih rendah dari Shore D 80 - dengan cara yang sama seperti karet gelang dan batang baja memberikan respons yang berbeda terhadap gaya yang diberikan. Karet gelang berubah bentuk. Batang baja mentransmisikan gaya.
Ketika enkapsulan modulus rendah mengeras dan menyusut, ia tidak dapat menghasilkan tegangan tinggi pada antarmuka yang tertanam karena kekakuannya tidak cukup untuk menahan medan tegangan yang besar. Penyusutan terjadi, namun resin berubah bentuk untuk menampungnya daripada meneruskan beban kontraksi ke komponen di sekitarnya. Keadaan tegangan sisa pada bagian yang dirawat jauh lebih rendah dibandingkan pada sistem kaku dengan persentase penyusutan yang sama.
Selama siklus termal, sistem-modulus rendah berubah bentuk untuk mengakomodasi pergerakan CTE diferensial antara epoksi dan material yang tertanam. Tegangan geser pada antarmuka berkurang karena enkapsulan bergerak bersama substrat dan bukan melawannya. Ketidaksesuaian CTE masih ada - bahannya tidak berubah - namun tegangan yang dihasilkan dari ketidaksesuaian tersebut diserap oleh deformasi enkapsulan dan bukannya ditransfer ke sambungan.
Ini adalah dasar teknik untuk menentukan sistem semi{0}}fleksibel. Bukan berarti sistem semi-fleksibel membuat perakitan lebih kuat. Sistem semi-fleksibel menghilangkan enkapsulan sebagai sumber tegangan, sehingga rakitan dapat beroperasi pada kondisi beban yang dirancang tanpa beban tambahan yang dikenakan dari senyawa pot.
Gambar 2.Epoksi kaku tidak dapat berubah bentuk untuk mengakomodasi penyusutan pengawetan - tegangan ditransmisikan ke antarmuka terlemah di jalur beban. Sistem semi-fleksibel dengan perpanjangan ~140% akan berubah bentuk, menghilangkan enkapsulan sebagai sumber tegangan tanpa mengubah geometri sambungan.
Pengorbanan-Modulus Rendah: Hal yang Tidak Dapat Dilakukan oleh Semi-Fleksibel
Sifat-sifat yang membuat sistem semi-fleksibel efektif untuk menghilangkan tegangan adalah sifat yang sama yang membuatnya tidak cocok untuk aplikasi yang memerlukan kekakuan mekanis, dukungan struktural, atau kinerja termal yang agresif:
Stabilitas dimensi di bawah beban mekanis yang berkelanjutan.Shore A 80–90 akan merayap di bawah beban tekan atau geser yang berkelanjutan. Jika rakitan dalam pot dibatasi secara mekanis oleh pin yang dapat ditekan,-braket penahan yang memberikan gaya berkelanjutan, atau konektor yang meneruskan gaya penyisipan ke area pot, matriks semi-fleksibel akan berubah bentuk seiring waktu. Epoksi yang kaku diperlukan untuk-aplikasi penahan beban.
Konduktivitas termal.Sistem semi-fleksibel memiliki konduktivitas termal dalam kisaran yang sama dengan senyawa pot kaku standar - yang biasanya 0,5–0,7 W/m·K. Jika desain memerlukan lapisan pot untuk menghantarkan panas dari komponen-penghilang daya ke permukaan pendingin, sistem semi-fleksibel pada tingkat konduktivitas ini tidak akan memberikan peningkatan termal yang berarti. Diperlukan sistem kaku yang konduktif secara termal (1,0–1,5 W/m·K).
Perilaku bagian-tebal.Sifat pemanjangan yang membuat sistem semi-fleksibel berguna untuk menghilangkan stres disertai dengan pembangkitan panas eksotermik yang lebih tinggi per satuan volume di pusat tuang kental, karena semakin tinggi tingkat katalis yang diperlukan untuk pengawetan suhu-ruangan menghasilkan reaksi yang lebih cepat. Penuangan dalam jumlah besar pada bagian yang dalam dapat menghasilkan panas eksotermik yang cukup untuk menyebabkan suhu berlebih setempat. Ketebalan bagian dan volume tuang harus divalidasi sebelum produksi.
Creep pada suhu servis atas.Sistem Shore A 80–90 yang beroperasi mendekati batas suhu layanan atas (100 derajat untuk sistem semi-fleksibel tipikal) akan menunjukkan laju mulur yang lebih tinggi dibandingkan sistem kaku pada suhu yang sama. Aplikasi yang memerlukan presisi dimensi pada beban termal harus menggunakan sistem-Tg yang kaku dan tinggi.
Kondisi Penerapan Dimana Modulus Enkapsulan Menjadi Kriteria Seleksi yang Mengatur
Kondisi perakitan berikut menunjukkan bahwa mekanisme transfer tegangan-adalah faktor yang mengatur risiko kegagalan, dan modulus enkapsulan -, bukan kekuatan dielektrik, konduktivitas termal, atau Tg -, harus mendorong pemilihan material:
Modul yang diikat dengan kawat-(kawat emas atau tembaga, ikatan bola atau baji) dibungkus dalam campuran pot yang kaku, beroperasi di bawah siklus termal atau getaran.
Rakitan SMT-pitch halus (pitch 0,5 mm atau lebih halus) dengan beberapa tipe komponen yang memiliki pasif keramik CTE -, paket polimer, dan induktor bodi logam-yang berbeda di area pot yang sama.
PCB dengan bagian tipis yang tidak didukung atau substrat fleksibel yang dimasukkan ke dalam pot kaku - perbedaan kekakuan antara media dan pot menghasilkan tegangan antarmuka yang tinggi selama proses pengawetan.
Rakitan inti ferit (transformator, induktor, mode-umum tersedak) dengan badan ferit CTE (~10 ppm/ derajat ) sangat berbeda dari CTE epoksi di sekitarnya (~50–70 ppm/ derajat ).
Rakitan di lingkungan getaran berkelanjutan (otomotif, penggerak motor industri, perlengkapan luar ruangan) di mana beban siklik kumulatif merupakan pendorong kegagalan yang dominan.
Setiap perakitan dimana riwayat kegagalan sebelumnya menunjukkan retak, terbuka terputus-putus, atau delaminasi yang berkorelasi dengan jumlah siklus termal dan bukan dengan kejadian tegangan berlebih tertentu.
Pemilihan Modulus sebagai Keputusan Desain, Bukan Default
Proses pemilihan standar untuk senyawa pot epoksi di sebagian besar alur kerja pengadaan B2B dimulai dengan tingkat nyala api (UL 94 V-0), beralih ke kekuatan dielektrik, lalu mengevaluasi jadwal pengeringan dan Tg. Modulus dan perpanjangan sering kali berada di urutan terakhir dalam TDS dan jarang diberi bobot berat dalam pemilihan awal. Urutan ini mencerminkan urutan persyaratan kepatuhan - peringkat nyala api diwajibkan secara hukum, kekuatan dielektrik dapat diukur, modulus tidak ada dalam sebagian besar standar peralatan.
Konsekuensinya adalah rakitan dengan struktur yang sensitif secara mekanis secara rutin dimasukkan ke dalam pot dengan senyawa-modulus tinggi yang kaku karena tidak ada gerbang seleksi yang menanyakan pertanyaan modulus. Spesifikasi tersebut lolos tinjauan kepatuhan. Kegagalan muncul di lapangan. Penyelidikan tidak kembali ke proses seleksi.
Pendekatan yang benar adalah dengan menambahkan analisis tegangan mekanis ke tahap desain awal - sebelum pemilihan senyawa pot dilakukan. Pertanyaannya "tekanan apa yang diterapkan enkapsulan ini pada rakitan selama perawatan dan servis?" harus dijawab sebelum menentukan materi, bukan setelah kolom pertama kembali.
Hal ini memerlukan pengetahuan tentang perkiraan penyusutan senyawa kandidat, modulus sistem yang diawetkan, CTE substrat dan komponen, serta geometri bagian pot. Tak satu pun dari hal ini memerlukan analisis elemen hingga - estimasi orde pertama dari sifat material dan geometri sudah cukup untuk menentukan apakah perpindahan tegangan cenderung menjadi mekanisme kegagalan sebelum pemilihan material diselesaikan.
Produk Terkait untuk Stres-Pot Perakitan Sensitif
E759/H759 adalah kompon pot epoksi dua-semi-fleksibel dengan Shore A 80–90 dan perpanjangan putus sekitar 140%. Ini bersertifikasi UL 94 V-0 berdasarkan UL File E120665 dengan ketebalan minimum 1,58–1,74 mm. Kisaran suhu layanan adalah –30 derajat hingga +100 derajat . Rasio campuran adalah 100:30 berdasarkan berat; masa pakai pot kira-kira 60 menit untuk massa 60 g pada suhu 25 derajat. Penyembuhan dilakukan pada suhu ruangan (7 hari pada suhu 25 derajat ) atau dipercepat dengan panas (50–60 derajat × 2 jam + 80 derajat × 2 jam).
Hal ini sesuai jika risiko yang dominan adalah transfer tegangan mekanis - kelelahan ikatan kawat, keretakan sambungan solder, delaminasi ketidakcocokan CTE, atau fraktur yang disebabkan oleh getaran. Ini tidak sesuai untuk pot struktur-yang menahan beban, pengelolaan termal-fluks panas tinggi, atau rakitan yang memerlukan kekakuan Shore D untuk toleransi dimensi. Seleksi harus divalidasi pada spesimen yang representatif berdasarkan profil siklus termal sebenarnya dari aplikasi.
→ 🔗E759/H759 Halaman Produk - Data Teknis, Sertifikasi UL, Catatan Aplikasi
Pertanyaan Teknik Utama
Bagaimana cara memperkirakan apakah perpindahan tegangan terjadi pada rakitan saya saat ini?
Perkiraan-orde pertama dapat dibuat dari penyusutan kompon pot (dari TDS, biasanya tercantum sebagai % penyusutan linier), modulus sistem yang diawetkan (dikorelasikan dengan Shore D - Shore D 80 setara dengan modulus tarik sekitar 1.500–2.500 MPa), dan geometri bagian pot. Tegangan pada antarmuka tertanam yang kaku kira-kira E × ε, dengan E adalah modulus epoksi dan ε adalah regangan penyusutan yang dibatasi. Jika nilai yang dihasilkan merupakan sebagian kecil dari batas kelelahan sambungan solder atau ikatan kawat, kemungkinan besar terjadi perpindahan tegangan. Ini adalah perkiraan kasar - detail geometri dan jalur beban mempengaruhi tegangan sebenarnya secara signifikan - tetapi ini mengidentifikasi apakah mekanisme tersebut memerlukan analisis terperinci atau validasi eksperimental sebelum menyelesaikan pemilihan material.
Jika perakitan saat ini menggunakan epoksi kaku dan memiliki riwayat kegagalan di lapangan yang konsisten dengan transfer tegangan, apa urutan evaluasi yang tepat untuk alternatif semi-fleksibel?
Mulailah dengan mengonfirmasi mekanisme kegagalan melalui-analisis penampang unit yang dikembalikan - lokasi inisiasi retakan, jalur perambatan retakan, dan korelasi dengan jumlah siklus termal. Kemudian buatlah spesimen uji perakitan sebenarnya dengan kandidat semi-fleksibel pada geometri dan jadwal perawatan yang sama, dan jalankan siklus termal yang dipercepat hingga jumlah siklus yang mencakup rentang kegagalan yang sama dengan yang diamati di lapangan (biasanya 2–5× jumlah siklus saat kegagalan lapangan pertama kali muncul). Bandingkan tingkat kegagalan dan lokasi permulaan retak antara spesimen kaku dan semi-fleksibel. Proses ini memakan waktu 4–8 minggu tergantung pada ketersediaan peralatan siklus termal, namun ini merupakan satu-satunya dasar yang dapat diandalkan untuk mengambil keputusan perubahan material. Perbandingan lembar data saja tidak memprediksi-perilaku layanan untuk mekanisme kegagalan ini.
Apakah sistem{0}}modulus yang lebih rendah memberikan perlindungan lingkungan yang lebih sedikit dibandingkan sistem yang kaku?
Sistem semi-fleksibel di Shore A 80–90 mempertahankan fungsi perlindungan lingkungan - sistem ini menyegel rakitan dari masuknya uap air, memberikan isolasi listrik, dan memenuhi kinerja nyala api UL 94 V-0. Yang tidak diberikan adalah kekakuan mekanis - yang akan berubah bentuk akibat beban tekan yang berkelanjutan. Untuk perlindungan lingkungan dalam aplikasi-yang tidak menahan beban, Shore A 80–90 sudah memadai. Perbandingan yang penting adalah apakah pengurangan modulus dari Shore D ke Shore A relevan dengan pembebanan mekanis spesifik yang akan dialami unit tersebut, bukan apakah sistem semi-fleksibel memberikan "perlindungan yang lebih sedikit" dalam arti abstrak.
Langkah Berikutnya - Hubungi Fong Yong Chemical
