high potting soak

высоковольтное компаундирование и выдержка: что охватывает это руководство (и для кого оно предназначено)

Это руководство предназначено для руководителей инженерных отделов, инженеров по качеству и руководителей отдела закупок, отвечающих за высоконадежную электронику, работающую в суровых условиях. В частности, оно рассматривает критическое пересечение герметизации (компаундирования) и испытаний изоляции высоким напряжением (Hi-Pot) в условиях воздействия окружающей среды (выдержка). Когда печатная плата в сборе (PCBA) спроектирована так, чтобы выдерживать высокие напряжения при погружении или воздействии высокой влажности, процесс "высоковольтного компаундирования и выдержки" становится главным гарантом надежности.

В этом руководстве мы выходим за рамки базовых определений к практическому выполнению закупок и валидации этих сборок. Вы найдете подробные требования к спецификациям для включения в вашу документацию, анализ скрытых режимов отказа, которые возникают во время фазы выдержки, и план валидации, чтобы гарантировать, что ваш продукт не выйдет из строя в полевых условиях. Мы также предоставляем контрольный список для аудита поставщиков, чтобы помочь вам оценить, действительно ли производственный партнер способен справляться со сложными процессами герметизации.

В APTPCB (APTPCB PCB Factory) мы часто видим, что конструкции выходят из строя не потому, что схема неправильна, а потому, что взаимодействие между компаундом для заливки, поверхностью печатной платы и воздействием окружающей среды не было полностью определено. Это руководство призвано восполнить этот пробел, гарантируя, что ваши команды по закупкам и инженерии согласованы в отношении строгих требований к применениям высоковольтного компаундирования и выдержки.

Когда глубокая заливка является правильным подходом (и когда нет)

Понимание специфической полезности протоколов глубокой заливки гарантирует, что вы не перепроектируете потребительские товары и не недопроектируете критически важные устройства безопасности.

Это правильный подход, когда:

Напряжение превышает 50В во влажных средах: Если ваше устройство работает с высоким напряжением (ВН) в автомобильных, морских или промышленных жидкостных приложениях, стандартное конформное покрытие недостаточно. Вам требуется полная герметизация, проверенная испытанием на выдержку в жидкости.
Требуется критически важная для безопасности изоляция: Для медицинских устройств или зарядных устройств для электромобилей, где пробой диэлектрика может привести к травмам, испытание на глубокую заливку подтверждает, что смола полностью пропитала сборку без пустот.
Термический шок и влажность постоянны: Если устройство циклически переходит от горячего к холодному, находясь под воздействием влажности, фаза "выдержки" испытания ускоряет проникновение влаги для раннего обнаружения расслоения.
Виброустойчивость обязательна: Заливка обеспечивает структурную целостность, а испытание на выдержку гарантирует, что эта структурная связь не разрушается при воздействии химических агентов или влаги на интерфейс.

Это НЕ правильный подход, когда:

Ремонтопригодность является приоритетом: Залитые сборки, как правило, не подлежат ремонту. Если вам нужно заменить компоненты на месте, механические уплотнения корпуса являются лучшим выбором, чем заливка.
Задействованы высокочастотные радиочастотные сигналы: Толстые заливочные компаунды могут кардинально изменить диэлектрическую проницаемость ($D_k$) вокруг радиочастотных линий, расстраивая антенны или фильтры.
Управление температурным режимом зависит от воздушного потока: Заливка действует как теплоизоляционное одеяло, если не используются специальные теплопроводящие смолы. Если ваша конструкция полагается на конвекционное охлаждение, полная заливка может привести к перегреву.
Чувствительность к стоимости имеет первостепенное значение: Стоимость материала заливочных смол и увеличенное время цикла для отверждения и испытаний на выдержку значительно увеличивают удельные затраты по сравнению со стандартными корпусами.

Требования, которые необходимо определить перед запросом коммерческого предложения

Чтобы избежать дорогостоящих итерационных циклов с вашим производителем, вы должны четко определить следующие параметры в вашем пакете RFQ. Расплывчатые запросы, такие как "требуется заливка", приводят к ценообразованию, основанному на предположениях, и пробелам в надежности.

Химия заливочного материала: Укажите точный базовый химический состав (эпоксидная смола, силикон или уретан). Эпоксидная смола обеспечивает твердость и химическую стойкость; силикон обеспечивает гибкость и устойчивость к высоким температурам; уретан прочен, но чувствителен к влаге во время отверждения.
Требования к диэлектрической прочности: Определите требуемое напряжение изоляции (например, "Должен выдерживать 3000 В постоянного тока в течение 60 секунд"). Это определяет минимальную толщину заливочного слоя над высоковольтными компонентами.
Условия выдержки: Четко укажите параметры выдержки. Например, "Погрузить в 5% солевой раствор на 24 часа при 25°C" или "Выдержка при 85°C/85% относительной влажности в течение 168 часов".
Пределы тока утечки: Определите критерии прохождения/непрохождения для испытания Hi-Pot. Общая спецификация: "Ток утечки < 100 мкА при испытательном напряжении."
Критерии приемлемости пустот: Определите максимально допустимый размер пустот. Для высокого напряжения даже микропустоты могут вызывать частичный разряд. Укажите "Нет пустот > 0,5 мм в зонах ВН" или "Общий объем пустот < 1%."
Теплопроводность: Если компаунд способствует рассеиванию тепла, укажите требуемое значение Вт/м·К (например, "Минимум 1,5 Вт/м·К").
Твердость (шкала Шора): Определите твердость после отверждения (например, "Шор А 60-80" для силикона или "Шор D 80" для эпоксидной смолы), чтобы убедиться, что он защищает компоненты, не раздавливая их при термическом расширении.
Требования к адгезии: Укажите, к каким поверхностям должен прилипать компаунд (FR4, алюминиевый корпус, конкретные компоненты). Это может потребовать плазменной обработки или праймеров.
Запретные зоны: Четко обозначьте разъемы, датчики или контрольные точки, которые должны оставаться свободными от заливочного материала. Предоставьте чертеж со слоями "Potting Keep-Out".
Ограничения профиля отверждения: Если ваши компоненты чувствительны к температуре, укажите максимально допустимую температуру отверждения (например, "Температура отверждения не должна превышать 85°C").
Стандарты чистоты: Укажите пределы ионного загрязнения (например, согласно IPC-J-STD-001) перед заливкой. Остатки могут вызвать расслоение или пути утечки под смолой.
Уровень прослеживаемости: Определите, нужна ли вам прослеживаемость партии для партии заливочной смолы, смешанной с конкретными серийными номерами печатных плат.

Скрытые риски, препятствующие масштабированию

Масштабирование от нескольких прототипов до массового производства вводит переменные, которые могут поставить под угрозу высокую производительность заливки.

Риск: Неконтролируемая экзотермическая реакция
- Почему это происходит: Эпоксидная смола выделяет тепло при отверждении. В больших объемах (толстая заливка) это тепло может превысить номинальные значения компонентов или вызвать растрескивание смолы.
- Обнаружение: Термопары, встроенные в прототип во время отверждения; визуальный осмотр на наличие трещин.
- Предотвращение: Используйте смолы с низкой экзотермией или многостадийную заливку (отверждение слоями).
Риск: Несоответствие КТР (Коэффициент теплового расширения)
- Почему это происходит: Заливочный материал расширяется быстрее, чем печатная плата или компоненты во время термоциклирования, что приводит к срезанию паяных соединений.
- Обнаружение: Испытание на термоудар с последующим функциональным тестом или поперечным сечением.
- Предотвращение: Согласуйте КТР смолы с КТР сборки печатной платы или используйте гибкие силиконовые буферы вокруг чувствительных компонентов (BGA/QFN).
Риск: Ингибирование влагой (Уретаны)
- Почему это происходит: Уретаны реагируют с влагой в воздухе или на печатной плате во время отверждения, создавая пузырьки CO2 (вспенивание).
- Обнаружение: Визуальный осмотр выявляет текстуру "швейцарского сыра" или пузырьки.
Предотвращение: Предварительная выпечка печатных плат для удаления влаги; использование вакуумного компаундирования; контроль влажности в зоне дозирования.
Риск: Затенение и Пустоты
- Почему это происходит: Смола обтекает высокие компоненты, задерживая под ними воздушные карманы ("тени").
- Обнаружение: Рентгеновский контроль или разрушающее поперечное сечение.
- Предотвращение: Оптимизация места и скорости заливки; использование вакуумной камеры для компаундирования; наклон сборки во время дозирования.
Риск: Неполное Смешивание
- Почему это происходит: Автоматические смесительно-дозирующие машины теряют калибровку, что приводит к образованию участков с избытком смолы или отвердителя, которые никогда полностью не отверждаются.
- Обнаружение: Мягкие пятна в отвержденном компаунде; химический анализ.
- Предотвращение: Ежедневные проверки продувки; мониторинг соотношения веса; графики замены трубок статических смесителей.
Риск: Загрязнение Поверхности (Остатки Флюса)
- Почему это происходит: Остатки флюса "no-clean" могут быть химически несовместимы с компаундом, вызывая расслоение.
- Обнаружение: Тесты на отслаивание адгезии; скачки тока утечки во время испытаний на выдержку.
- Предотвращение: Внедрение строгих процессов промывки даже для флюсов "no-clean"; тестирование химической совместимости.
Риск: Капиллярное Проникновение в Разъемы
- Почему это происходит: Смола низкой вязкости проникает в контакты разъемов или кабели через капиллярное действие, изолируя контакты, которые должны быть проводящими.
- Обнаружение: Визуальный осмотр под УФ-светом (если смола содержит трассер); проверка непрерывности.
Предотвращение: Используйте тиксотропные (гелеобразные) барьеры вокруг разъемов; применяйте маскирующие колпачки или временные герметики.
Риск: Частичный разряд (Корона)
- Почему это происходит: Микропустоты в полях высокого напряжения ионизируются, медленно разрушая изоляцию изнутри.
- Обнаружение: Оборудование для тестирования частичных разрядов (ЧР) (специализированный Hi-Pot).
- Предотвращение: Вакуумное компаундирование обязательно для ВН > 1кВ; строгие критерии по пустотам.

План валидации (что тестировать, когда и что означает «пройдено»)

Надежный план валидации выходит за рамки простого «пройдено/не пройдено» в конце производственной линии. Он валидирует сам процесс.

Исследование химической совместимости
- Цель: Убедиться, что флюс, паяльная маска и компаундирующая смола не вступают в негативную реакцию.
- Метод: Залить тестовые образцы, отвердить и проверить на обесцвечивание или разжижение на границе раздела.
- Приемлемость: Отсутствие видимой реакции; прочность адгезии соответствует спецификации.
Поперечное сечение (разрушающее)
- Цель: Проверить проникновение смолы под компоненты с низким зазором (BGA, QFN).
- Метод: Разрезать отвержденный блок, отполировать поперечное сечение и осмотреть под микроскопом.
- Приемлемость: 100% заполнение под компонентами; отсутствие захваченных воздушных пустот.
Тест на адгезию / отслаивание
- Цель: Проверить связь между смолой и корпусом/печатной платой.
- Метод: Попытаться механически отделить компаунд от подложки.

Приемлемость: Когезионное разрушение (смола ломается) предпочтительнее адгезионного разрушения (смола отслаивается чисто).

Функциональный тест перед заливкой (Летающий зонд)
- Цель: Убедиться, что печатная плата (PCBA) на 100% функциональна перед герметизацией. После заливки она не подлежит ремонту.
- Метод: Использовать лучшие практики летающего зонда для тестирования всех цепей.
- Приемлемость: 100% электрическое прохождение.
Испытание на термошок
- Цель: Нагрузить механическое соединение.
- Метод: Циклы от -40°C до +85°C в течение 100 циклов, затем выдержка во влажности.
- Приемлемость: Отсутствие трещин; отсутствие расслоения.
Влажный Hi-Pot (Тест "Выдержка под высоким напряжением в заливке")
- Цель: Проверить целостность изоляции в наихудших условиях.
- Метод: Погрузить залитое устройство в проводящую соленую воду (заземленную). Подать высокое напряжение (HV) на внутреннюю цепь.
- Приемлемость: Ток утечки < заданного предела (например, 5мА); отсутствие перекрытия.
Тест сопротивления изоляции (IR)
- Цель: Проверить на медленную деградацию.
- Метод: Применить 500В постоянного тока и измерить сопротивление.
- Приемлемость: Сопротивление > 100 МОм (или специфическое требование в ГОм).
Рентгеновский контроль
- Цель: Неразрушающий контроль пустот.
- Метод: Просветить готовое устройство рентгеном, сосредоточившись на областях высокого напряжения (HV).
- Приемлемость: Процент пустот ниже определенного порога.
Проверка твердости по Шору
- Цель: Подтвердить правильное соотношение смешивания и отверждение.
- Метод: Использовать дюрометр на отвержденной поверхности.

Приемлемость: В пределах ±5 пунктов от спецификации в техническом паспорте материала.

Проверка покрытия FCT
- Цель: Убедиться, что тесты после заливки все еще могут быть выполнены.
- Метод: Проанализировать планирование покрытия FCT, чтобы убедиться, что тестовые площадки доступны через внешние разъемы, если плата герметизирована.
- Приемлемость: 100% критически важных функций безопасности проверяемы через внешние входы/выходы.

Контрольный список поставщика (RFQ + вопросы аудита)

Используйте этот контрольный список для проверки потенциальных производственных партнеров, таких как APTPCB.

Входные данные RFQ (Что вы отправляете)

Полная спецификация, включая производителя и номер детали заливочной смолы.
3D STEP-файл сборки и корпуса (для расчета объема).
2D-чертеж, определяющий запретные зоны и уровни заполнения.
Ограничения профиля отверждения (макс. температура/время).
Пределы напряжения Hi-Pot и тока утечки.
Параметры теста на выдержку (тип жидкости, продолжительность, температура).
Критерии приемлемости для пустот (размер/расположение).
Требования к упаковке для незатвердевших и затвердевших изделий.

Подтверждение возможностей (Что они должны показать)

Есть ли у них вакуумные камеры для заливки? (Существенно для ВВ).
Могут ли они продемонстрировать автоматизированное дозирование смешивания (по сравнению с ручным смешиванием)?
Есть ли у них собственное рентгеновское оборудование для обнаружения пустот?
Могут ли они выполнить специфический тест на "выдержку" (камера влажности или резервуар с жидкостью)?
Есть ли у них опыт работы с вашей специфической химией смол (уретан/эпоксид/силикон)?
Могут ли они предоставить примеры маскирующих приспособлений, используемых для аналогичных проектов?

Система качества и отслеживаемость

Документирован ли процесс заливки в плане контроля?
Записывают ли они номер партии смолы по отношению к серийному номеру PCBA?
Как они контролируют жизнеспособность (время работы) смешанной смолы?
Существует ли процедура продувки статических смесителей?
Выполняют ли они ежедневные проверки соотношения веса на дозирующей машине?
Обучены ли операторы стандартам IPC-A-610 / IPC-CC-830?

Контроль изменений и доставка

Какова процедура, если производитель смолы меняет формулу?
Как обрабатываются отбракованные залитые блоки (карантин/утиль)?
Могут ли они масштабироваться от пакетной обработки к непрерывной поточной обработке?
Есть ли у них климат-контроль в зоне заливки (температура/влажность)?
Как они защищают разъемы во время процесса заливки?
Каков план упаковки для предотвращения повреждения поверхности заливки во время транспортировки?

Руководство по принятию решений (компромиссы, которые вы действительно можете выбрать)

Каждое инженерное решение включает в себя компромисс. Вот как ориентироваться в наиболее распространенных из них в приложениях с высокой степенью заливки.

Твердость против снятия напряжения:
- Если вы отдаете приоритет механической защите (ударопрочность): Выберите эпоксидную смолу. Она твердая и долговечная, но передает тепловое напряжение компонентам.
Если вы отдаете приоритет надежности при термоциклировании: Выбирайте силикон. Он мягкий и гибкий, поглощает напряжение, но обеспечивает меньшую физическую защиту от несанкционированного доступа.
Вакуумная против атмосферной заливки:
- Если вы отдаете приоритет безопасности при высоком напряжении (>1 кВ): Вы должны выбрать вакуумную заливку для устранения микропустот.
- Если вы отдаете приоритет стоимости и скорости: Атмосферная заливка быстрее, но есть риск попадания воздуха. Приемлемо только для низковольтных устройств и общей гидроизоляции.
Затвердевание в печи против затвердевания при комнатной температуре:
- Если вы отдаете приоритет пропускной способности: Выбирайте отверждение в печи (термическое отверждение). Это быстрее, но требует, чтобы компоненты выдерживали нагрев.
- Если вы отдаете приоритет безопасности компонентов: Выбирайте отверждение при комнатной температуре. Это занимает больше времени (24-48 часов), требуя больше места для незавершенного производства, но безопаснее для чувствительных датчиков.
Ремонтопригодность против безопасности:
- Если вы отдаете приоритет защите интеллектуальной собственности (защита от обратного инжиниринга): Выбирайте твердую, непрозрачную эпоксидную смолу. Ее невозможно удалить, не повредив плату.
- Если вы отдаете приоритет устранению неполадок: Выбирайте прозрачный, мягкий силикон. Вы можете прокопать его, чтобы проверить контрольные точки (хотя заделывать его трудно).
100% тестирование против выборочного контроля:
- Если вы отдаете приоритет нулевым отказам (автомобильная/медицинская промышленность): 100% Hi-Pot Soak тест обязателен.
- Если вы отдаете приоритет стоимости (промышленный IoT): Выполняйте 100% Hi-Pot (сухой) и выборочный тест (10%) для Soak.

Часто задаваемые вопросы

В: Можем ли мы использовать конформное покрытие вместо заливки для высоковольтного теста на погружение? О: В целом, нет. Защитное покрытие слишком тонкое (микроны), чтобы обеспечить достаточную диэлектрическую прочность для высокого напряжения или выдержать длительное погружение. Для настоящей гидроизоляции и изоляции высокого напряжения требуется заливка компаундом (толщиной в миллиметры).

В: Как мы обрабатываем "запретные" зоны во время процесса заливки компаундом? О: Мы используем специальные маскирующие приспособления, временные резиновые колпачки или тиксотропные "дамбовые" материалы для создания барьеров. Это предотвращает затекание смолы в разъемы или на поверхности датчиков.

В: Что произойдет, если срок годности заливочного компаунда истечет? О: Просроченная смола может не затвердеть должным образом, оставаясь липкой или мягкой. Она также может иметь сниженные диэлектрические свойства. Строгое управление сроком годности (FIFO) имеет решающее значение.

В: Почему мы видим пузырьки в затвердевшем компаунде? О: Пузырьки возникают из-за захваченного воздуха во время смешивания, загрязнения влагой (особенно в уретанах) или воздуха, захваченного под компонентами во время заливки. Вакуумная дегазация и вакуумная заливка решают эту проблему.

В: Можем ли мы залить компаундом плату, которая не была очищена? О: Это рискованно. Остатки флюса могут препятствовать сцеплению смолы с печатной платой, создавая путь для проникновения влаги (расслоение). Мы рекомендуем тщательную очистку и сушку перед заливкой.

В: Какой толщины должна быть заливка компаундом? О: Толщина зависит от напряжения. Общее правило заключается в проверке диэлектрической прочности материала (например, 15 кВ/мм) и применении коэффициента безопасности 2x или 3x.

В: Влияет ли заливка компаундом на тепловые характеристики печатной платы? О: Да. Стандартная смола является теплоизолятором. Если ваша плата выделяет тепло, вы должны использовать теплопроводящую смолу для передачи тепла корпусу или окружающему воздуху.

В: В чем разница между "заливкой" (potting) и "капсулированием" (encapsulation)? О: Они часто используются как взаимозаменяемые термины. Технически, "заливка" подразумевает заливку смолы в корпус (оболочку), который становится частью устройства. "Капсулирование" иногда может относиться к окунанию или формованию, когда смола сама формирует внешнюю форму (без оболочки).

PCB Conformal Coating – Узнайте о более легкой альтернативе заливке для стандартной защиты окружающей среды.
Testing & Quality – Изучите полный спектр этапов валидации, используемых APTPCB, от AOI до функционального тестирования.
Automotive Electronics PCB – Посмотрите, как высокая степень заливки применяется в одной из самых требовательных отраслей.
FCT Test – Узнайте, как спланировать стратегию функционального тестирования до того, как плата будет запечатана в смолу.
Flying Probe Testing – Лучший метод для проверки целостности PCBA перед этапом заливки.

Запросить коммерческое предложение

Готовы проверить ваш высоконадежный дизайн? Запросите коммерческое предложение у APTPCB сегодня для всестороннего DFM-анализа, который включает оценку осуществимости процесса заливки и выбор материалов.

Для наиболее точного коммерческого предложения, пожалуйста, предоставьте:

Файлы Gerber и спецификацию (BOM).
Спецификации заливочного материала (или запросите рекомендацию).
3D-модель сборки/корпуса.
Требования к испытаниям на выдержку (Soak) и высоковольтным испытаниям (Hi-Pot).
Ориентировочный годовой объем.

Заключение

Внедрение процесса высококачественной заливки является окончательным способом гарантировать выживание вашей электроники во враждебных средах, где сосуществуют высокое напряжение и влага. Это требует изменения мышления от простой сборки печатных плат к сложной интеграции химических и механических систем. Определяя четкие требования к материалам и испытаниям, понимая риски пустот и профилей отверждения, а также сотрудничая с компетентным поставщиком, таким как APTPCB, вы можете масштабировать свое производство без ущерба для надежности. Цель состоит не просто в герметизации платы, а в доказательстве того, что она может выдержать наихудшие сценарии, которые ваши клиенты ей предложат.