Figura 1.L'esquerdament retardat a l'envasament epoxi s'inicia normalment a les vores dels components i a les sortides de plom - no a la superfície exterior. El conjunt supera totes les proves inicials; la fallada apareix després de 50-200 cicles tèrmics en servei.
L'assemblea supera totes les proves de qualificació. Hola-pot: passa. Inspecció visual: net. Xoc tèrmic de –40 graus a +85 graus, 50 cicles: aprovat. S'envia. Catorze mesos més tard, els primers retorns de camp arriben - esquerdes a la interfície de l'encapsulament-a-l'habitatge, delaminació als punts de sortida principal, obertures intermitents a les unitats que es van mesurar netes a l'enviament. L'equip d'enginyeria demana-seccions transversals. Les esquerdes es troben a l'envasament epoxi, no als components. El calendari de curació al registre de producció està indicat correctament. El material no ha canviat. La investigació es tanca com a "fatiga del material - dins de la variabilitat esperada de la vida útil".
No és fatiga material. Es tracta d'una tensió residual, establerta durant la curació, que mai es va mesurar i que mai va aparèixer a la seqüència de qualificació - perquè la qualificació no incloïa els cicles tèrmics necessaris per alliberar-lo.L'esquerdament retardat a l'envasament epoxi de secció-gruixuda és gairebé sempre un defecte del procés de curat, no un defecte del material. L'esquerda es crea durant la curació. Apareix al camp.
El mecanisme exotèrmic: per què les seccions gruixudes es curen de manera diferent de les primes
L'encreuament-epoxi és una reacció exotèrmica. Quan la resina i l'enduridor es combinen i la mescla s'exposa a la calor, la reacció genera la seva pròpia calor a més d'absorbir la calor del forn. En una mostra prima - del tipus que s'utilitza per a les proves de materials UL -, la calor auto-generada es dissipa ràpidament a l'atmosfera del forn a través de la gran proporció de superfície-a-volum. La temperatura de la mostra segueix de prop el punt de consigna del forn durant tot el cicle de curat.
En una secció gruixuda - un nucli de transformador amb un abocament de 20 mm, un mòdul de potència amb una profunditat d'ompliment de 25 mm - la relació superfície-a-volum és molt més baixa. La calor de la reacció exotèrmica al nucli de la secció té un llarg camí de difusió a la superfície, i la resina circumdant que encara no ha reaccionat completament actua com a aïllament tèrmic. La temperatura central supera el punt de consigna del forn. En una sola etapa de curat de 120 graus d'una secció de 20 mm, les temperatures centrals de 140 a 165 graus no són inusuals, fins i tot quan el forn està configurat a 120 graus i la superfície de la peça mesura 120 graus amb un termoparell de superfície.
Aquesta superació és important perquè la taxa d'{0}}enllaç creuat augmenta bruscament amb la temperatura. El nucli de la secció, que s'estén entre 20 i 45 graus per sobre del punt de consigna del forn, completa el seu enllaç transversal-primari significativament més ràpid que el material exterior. La xarxa d'-enllaç creuat del nucli es "congela" efectivament a la seva posició mentre les capes exteriors encara estan reaccionant. Quan el conjunt es refreda després de la curació, ambdues regions es contrauen tèrmicament - però es contrauen des de diferents punts inicials i a diferents ritmes, perquè el nucli ja és un sòlid vidre rígid mentre les capes exteriors estan completant la seva formació de xarxa.
El resultat és un estat de tensió bloquejat-a la part totalment curada: esforç de tracció residual al material exterior i esforç de compressió residual al nucli. Aquesta no és una hipòtesi - és un fenomen-ben caracteritzat en el processament de seccions termoestables de secció gruixuda, anàloga a la tensió residual en el vidre d'extinció ràpida.
Figura 2.En una sola etapa de curat de 120 graus d'-una secció de 20 mm, la temperatura central supera habitualment el punt de consigna del forn entre 20 i 45 graus durant l'exoterma d'enllaç creuat. El perfil de dues-etapes limita aquesta superació iniciant-l'enllaç creuat a 80 graus abans que s'apliqui l'etapa de-temperatura més alta.
Per què l'Assemblea supera les proves inicials
Figura 3.Després d'una -etapa de curat a alta-temperatura, la secció curada té un estat d'estrès bloquejat-: tensió residual a les capes exteriors, compressió residual al nucli. Aquest estat d'estrès s'afegeix a l'estrès tèrmic cíclic en servei, accelerant l'inici de l'esquerda per fatiga.
L'esforç de tracció residual en el material d'envasament exterior d'una cura de secció gruixuda-en una sola etapa- normalment està per sota de la resistència a la tracció màxima de l'epoxi a temperatura ambient. La part totalment curada no s'esquerda durant la curació - o, si ho fa, les micro-esquerdes estan per sota del llindar de detecció de la inspecció visual. La prova d'hi-pot a les passades de tensió nominal perquè la rigidesa dielèctrica efectiva de la matriu lleugerament tensada no és significativament diferent de la referència no tensada.
El problema es revela sota el cicle tèrmic, i el mecanisme és senzill: cada cicle tèrmic de baixa temperatura a alta temperatura genera un esforç cíclic de tracció i compressió en el material d'encapsulament, impulsat pel desajust CTE entre l'epoxi, els components incrustats i la carcassa. Als llocs de concentració d'estrès - cantonades, vores dels components, punts de sortida del cable i la interfície-a-de l'habitatge -, l'amplitud de la tensió cíclica és més alta. L'esforç de tracció residual de la curació s'afegeix directament a l'esforç de tracció cíclic en aquests llocs, perquè tots dos són esforços de tracció que actuen en la mateixa direcció durant la fase d'escalfament del cicle tèrmic.
L'amplitud de tensió combinada - esforç de curat residual més l'esforç tèrmic cíclic - encara pot estar per sota de la resistència a la tracció màxima de l'epoxi en el primer cicle. Assoleix el llindar d'inici de l'esquerda per fatiga després d'un nombre de cicles que depèn de la magnitud específica de la tensió residual, el desajust CTE, l'amplitud del cicle tèrmic i la geometria del concentrador d'esforços. És per això que la fallada apareix després de 50-200 cicles, no a les proves inicials. No és degradació del material al llarg del temps - és acumulació d'estrès fins a un llindar.
Per què s'identifica sistemàticament aquest error
Quan una investigació de fallades de camp troba esquerdes en el material d'envasament epoxi, són habituals diverses identificacions errònies:
"Fatiga material"- l'epoxi fallava en fatiga, la qual cosa implicava que el material era inadequat per a l'aplicació. El mecanisme real és l'acumulació d'estrès a partir d'una combinació d'estrès de curació residual i estrès tèrmic cíclic. El canvi a un material epoxi diferent sense canviar el procés de curat reproduirà la fallada, perquè el mecanisme de tensió residual depèn del procés-, no del material-.
"Danys per xoc tèrmic"- el conjunt va estar exposat a un esdeveniment tèrmic inusualment greu. Això de vegades és cert, però els patrons d'esquerdes del xoc tèrmic normalment s'inicien a la superfície exterior i es propaguen cap a l'interior. Les esquerdes de tensió residual s'inicien normalment a les característiques de la geometria interna (vores dels components, sortides de plom) i es propaguen cap a l'exterior. La ubicació de l'origen de l'esquerda distingeix els dos mecanismes en secció-transversal.
"Adhesió insuficient a l'envasament"- l'epoxi no s'adhereix bé al substrat o a la carcassa. La delaminació a la interfície-de l'habitatge pot resultar d'una preparació inadequada de la superfície, però també pot ser el resultat de l'esforç de tracció residual que superi la força d'unió interfacial. Aquest últim no requereix cap fallada de preparació de la superfície - es produeix en superfícies netes i preparades correctament quan la tensió residual és prou alta.
"Qualitat dels components"- s'ha produït un error o una terminació d'un component. En els casos en què l'esquerda es propaga a una interfície de component, l'aspecte de l'esquerda es pot identificar erròniament com una fallada del component. L'anàlisi de-secció transversal distingeix entre una esquerda que es va iniciar al component i una que s'hi va propagar des de l'epoxi circumdant.
En la majoria d'aquestes identificacions errònies, el registre del procés de curació no es revisa com a part de la investigació de la fallada. El programa de curació que apareix al viatger de producció coincideix amb l'especificació - perquè l'especificació enumera el punt de consigna del forn i la durada programada, no la temperatura realment assolida al nucli de la secció en test. El mecanisme de tensió residual és invisible al registre de producció.
El perfil de cura en dos-etapes: com redueix l'estrès residual
El perfil de curació en dues-etapes aborda directament el mecanisme d'exoterma dividint la reacció d'enllaç-creuat en dues etapes controlades:
Etapa 1 a 80 grausinicia la reacció d'enllaç-creuat a una temperatura més baixa, on la velocitat de reacció és més lenta i la generació de calor exotèrmica per unitat de temps és menor. A 80 graus, el sistema comença a generar-densitat d'enllaç creuat - suficient per evitar la ràpida acceleració de la velocitat de reacció que es produiria si el sistema s'exposava immediatament a 120 graus. La menor velocitat de reacció inicial redueix l'-exotermia autogenerada, mantenint la temperatura central més a prop del punt de consigna del forn. La densitat d'-enllaç creuat es desenvolupa de manera més uniforme a tota la profunditat de la secció durant l'etapa 1.
Etapa 2 a 120 grausllavors condueix el sistema a la curació completa. Quan comença l'etapa 2, la xarxa de l'etapa 1 ja ha desenvolupat prou rigidesa per limitar l'exoterma addicional durant l'etapa 2. La resta d'enllaços-creuats es produeix en una xarxa que està parcialment limitada per l'estructura de l'etapa 1, i el diferencial de temperatura entre el nucli i la superfície durant l'etapa 2 es redueix substancialment en comparació amb un sol grau{7}120.
El resultat és una secció curada amb menor tensió residual de tracció al material exterior. El conjunt encara té una mica de tensió residual - cap procés de curació l'elimina completament - però la magnitud es redueix prou perquè l'amplitud combinada de la tensió residual més l'estrès tèrmic cíclic es mantingui per sota del llindar d'inici de l'esquerda per fatiga per a una vida útil significativament més llarga.
Aquest no és un argument teòric. S'observa empíricament: els conjunts que van experimentar un esquerdament retardat amb una curació de 120 graus d'una-etapa en el mateix material d'encapsulament han mostrat una vida útil prolongada després de canviar a un perfil de dues-etapes, sense canviar el material, la geometria ni cap altre paràmetre del procés. El calendari de curació és la variable.
La bretxa crítica en les proves de qualificació
Les seqüències de proves de qualificació estàndard per a conjunts en test acostumen a incloure un nombre limitat de cicles tèrmics - 50 a 100 cicles és habitual a les normes IEC i UL per a les categories d'equips específiques. Un conjunt-de secció gruixuda amb tensió residual d'una sola etapa de curació-podrà passar 50 o fins i tot 100 cicles tèrmics abans que la tensió acumulada arribi al llindar d'inici de l'esquerda. Quan la fallada es produeix entre 150 i 200 cicles en servei -, que poden correspondre a 12 a 18 mesos de funcionament amb un o dos cicles tèrmics per dia -, la seqüència de qualificació no ho va exposar.
Es tracta d'un buit sistemàtic: la qualificació s'ha realitzat correctament, la prova s'ha aprovat, però el mode de fallada funciona en una escala de cicle més llarga que la que cobreix la prova. Els dissenys on el procés de curació introdueix una tensió residual requereixen una seqüència de cicle tèrmic de qualificació més llarga o un procés de curació que redueixi l'estrès residual a un nivell en què el recompte de cicles de qualificació estàndard és realment predictiu de la vida útil.
El perfil de curació en dues-etapes redueix la magnitud de la tensió residual, la qual cosa redueix l'amplitud total de la tensió per cicle. Això, combinat amb el mateix recompte de cicles tèrmics en la seqüència de qualificació, proporciona una garantia genuïna més que una garantia limitada per la incapacitat de la prova per revelar el mode de fallada.
Identificar si un disseny actual està en risc
Les condicions de disseny i de procés següents indiquen un risc d'estrès residual elevat en encapsulaments epoxi de secció gruixuda-:
La profunditat de la secció del test supera els 10 mm en qualsevol dimensió.
El programa de curació actual és d'una-etapa a 100 graus o més.
No hi ha cap control de termoparell de la temperatura central durant el curat - només es registra la temperatura de l'aire de la superfície o del forn.
L'historial de fallades mostra esquerdes que apareixen després de múltiples cicles tèrmics en servei, amb conjunts que superen la inspecció inicial.
Les ubicacions de l'origen de les esquerdes a la-secció transversal es troben a les vores dels components, a les sortides de plom o a les característiques de geometria interna - no a la superfície exterior.
El recompte de cicles tèrmics de qualificació va ser de 50 cicles o menys, i s'espera que la vida útil inclogui 200 o més cicles tèrmics.
Un pas pràctic de verificació és produir mostres de prova amb el gruix de la secció de producció real i el programa de curat, incrustar un termopar al centre de la secció i registrar el perfil real de la temperatura central durant el curat. Si la temperatura central supera significativament el punt de consigna del forn durant la fase de-enllaç creuat, el mecanisme d'exotèrmia està actiu i s'està generant estrès residual.
HDT, Tg i RTI: les propietats tèrmiques que defineixen l'embolcall de funcionament
Un perfil de curat en dues etapes, executat correctament, produeix un material curat amb les propietats tèrmiques nominals completes: Tg 117,8 graus per TMA (ASTM E831), HDT 130 graus, RTI 130 graus sota el fitxer UL E120665. Aquests valors defineixen l'embolcall de funcionament del conjunt curat:
Tg 117,8 graus- la temperatura de transició vítrea mesurada per anàlisi termomecànica; utilitzeu-ho per als càlculs pressupostaris CTE i l'anàlisi d'estabilitat dimensional. Per sobre de Tg, el CTE augmenta de 49,772 ppm/grau (1, per sota de Tg) a 148,482 ppm/grau (2, per sobre de Tg) - aproximadament un augment de 3x.
HDT 130 graus- la temperatura a la qual el material curat es desvia sota una càrrega estàndard d'1,8 MPa; utilitzeu-ho per suportar càrregues mecàniques-a temperatura elevada.
RTI 130 graus- Classificació UL per a la retenció contínua de propietats elèctriques i mecàniques; els dissenys que requereixen un servei continu per sobre de 90 graus que es troben fora de la classificació d'E532/H532 (RTI 90 graus) es troben dins de la qualificació d'E536/H536.
Aquests valors de propietats tèrmiques només s'aconsegueixen quan la curació en dues etapes-s'ha completat correctament. Un conjunt que només hagi rebut l'etapa 1 - o l'etapa 1 a una temperatura insuficient - tindrà Tg i HDT per sota d'aquests valors. Els exemplars testimonis curats juntament amb lots de producció i provats per a HDT proporcionen una verificació pràctica del procés: un HDT mesurat substancialment per sota dels 130 graus indica una curació incompleta de l'etapa 2.
Producte relacionat per a envasament de-secció gruixuda amb control de l'estrès de curat
E536/H536 és un compost epoxi ignífug de dos-components, UL 94 V{-0-dissenyat específicament per a aplicacions de-secció gruixuda on la tensió de curat és el mecanisme de fallada principal. El seu perfil de curació en dues etapes (80 graus × 2 hores + 120 grau × 4 hores) limita l'exotermia central durant l'etapa 1 i aconsegueix un desenvolupament complet de la propietat a l'etapa 2. RTI 130 graus, HDT 130 graus, Shore D 89 i un gruix mínim amb certificació UL de 1.745 mm de color (negre) UL. E120665.
No és adequat per a aplicacions que requereixen una conductivitat tèrmica superior a 0,5 W/m·K (utilitza E533/H533 per a això) o per a entorns de producció de cura a temperatura ambient-(utilitza E532/H532 per a això). El perfil de curat en dues etapes requereix una capacitat de forn a 80 i 120 graus amb rampes i temps de retenció controlats.
👉 🔗 Pàgina del producte E536/H536 - Dades tècniques, informe de prova TMA, notes d'aplicació
Preguntes clau d'enginyeria
Com sé si el meu conjunt actual té tensió residual del seu procés de curació?
El mètode directe és incrustar un termoparell al centre de la secció d'envasament i registrar la temperatura central durant la curació. Si la temperatura central supera el punt de consigna del forn en més de 10-15 graus durant la fase d'enllaç-creuat, s'està generant estrès residual. El mètode indirecte és dur a terme un cicle tèrmic accelerat fins a un recompte de cicles significativament superior a la seqüència de qualificació (per exemple, 500 cicles) i inspeccionar els llocs d'inici de fissurades. Les esquerdes que s'inicien a les característiques de la geometria interna més que a la superfície exterior són coherents amb la tensió residual com a conductor.
Si canvio d'una-etapa a un programa de cura de dues-etapes al meu muntatge existent, he de tornar a qualificar-me?
En la majoria dels casos, sí - com a mínim, el canvi del procés de curat s'ha de reflectir a l'especificació del procés de producció i validat en mostres de prova per confirmar que les propietats curades compleixen els requisits de disseny. Per als conjunts que formen part d'un producte final llistat UL-, el canvi al calendari de cura del compost d'envasament pot provocar una notificació o un requisit de re-avaluació amb l'organisme de la llista. Això s'ha de confirmar abans d'implementar el canvi de procés. La validació hauria d'incloure el cicle tèrmic fins a un recompte de cicles suficient per confirmar que el mode de fallada que apareixia al programa de curació anterior no apareix al nou.
Es pot mesurar la tensió residual de manera no-destructiva en conjunts acabats?
La mesura no-destructiva de la tensió residual en epoxi és tècnicament possible mitjançant tècniques com ara la fotoelasticitat o l'espectroscòpia micro-Raman, però aquestes no són eines de producció habituals. L'anàlisi de la secció transversal destructiva seguida d'una inspecció microscòpica d'esquerdes és més pràctica per a la verificació de la producció. L'eina de verificació de producció més accessible és l'exemplar testimoni: una mostra curada produïda simultàniament amb cada lot de producció, emmagatzemada i provada periòdicament mitjançant cicles tèrmics i inspecció de-secció transversal. La desviació de l'exemplar testimoni prediu, però no garanteix, el que està present en el lot de producció.
Passos següents - Contacteu amb Fong Yong Chemical
