Figura 1.El agrietamiento retardado en el encapsulado epóxico generalmente se inicia en los bordes de los componentes y el plomo sale - no por la superficie exterior. El conjunto pasa todas las pruebas iniciales; la falla aparece después de 50 a 200 ciclos térmicos en servicio.
El conjunto pasa todas las pruebas de calificación. Hola-potenciómetro: aprobado. Inspección visual: limpio. Choque térmico de –40 grados a +85 grados, 50 ciclos: aprobado. Se envía. Catorce meses después, las primeras devoluciones de campo llegan con - grietas finas en la interfaz del encapsulado-con-la carcasa, delaminación en los puntos de salida de los cables y aperturas intermitentes en unidades que se midieron como limpias en el momento del envío. El equipo de ingeniería solicita-secciones transversales. Las grietas están en el encapsulado de epoxi, no en los componentes. El programa de curación en el registro de producción aparece correctamente. El material no ha cambiado. La investigación se cierra como "fatiga del material - dentro de la variabilidad esperada de la vida útil".
No es fatiga material. Es la tensión residual, establecida durante el curado, que nunca se midió y nunca apareció en la secuencia de calificación - porque la calificación no incluyó los ciclos térmicos necesarios para liberarla.El agrietamiento retardado en el encapsulado epóxico-de sección gruesa casi siempre es un defecto del proceso de curado, no un defecto del material. La grieta se crea durante el curado. Aparece en el campo.
El mecanismo exotérmico: por qué las secciones gruesas curan de manera diferente a las delgadas
La reticulación-de epoxi es una reacción exotérmica. Cuando la resina y el endurecedor se combinan y la mezcla se expone al calor, la reacción genera su propio calor además de absorber calor del horno. En una muestra delgada - del tipo utilizado para las pruebas de materiales UL -, el calor auto-generado se disipa rápidamente a la atmósfera del horno a través de la gran relación superficie-a-volumen. La temperatura de la muestra sigue de cerca el punto de ajuste del horno durante todo el ciclo de curado.
En una sección gruesa encapsulada - un núcleo de transformador con un vertido de 20 mm, un módulo de potencia con una profundidad de relleno de 25 mm - la relación superficie-a-volumen es mucho menor. El calor de la reacción exotérmica en el núcleo de la sección tiene un largo camino de difusión hacia la superficie, y la resina circundante que aún no ha reaccionado completamente actúa como aislamiento térmico. La temperatura interna sobrepasa el valor nominal del horno. En un curado de 120 grados de una sola etapa-de una sección de 20 mm, las temperaturas centrales de 140 a 165 grados no son inusuales, incluso cuando el horno está configurado a 120 grados y la superficie de la pieza mide 120 grados con un termopar de superficie.
Este exceso es importante porque la tasa de-entrelazamiento aumenta marcadamente con la temperatura. El núcleo de la sección, que se extiende entre 20 y 45 grados por encima del punto de ajuste del horno, completa su reticulación primaria-significativamente más rápido que el material exterior. La red de enlaces cruzados en el núcleo está efectivamente "congelada" en su posición mientras las capas externas aún están reaccionando. Cuando el conjunto se enfría después del curado, ambas regiones se contraen térmicamente - pero se contraen desde diferentes puntos de partida y a diferentes velocidades, porque el núcleo ya es un sólido vítreo rígido mientras las capas externas están completando su formación de red.
El resultado es un estado de tensión bloqueado-en la pieza completamente curada: tensión de tracción residual en el material exterior y tensión de compresión residual en el núcleo. Esto no es una hipótesis -, es un fenómeno bien-caracterizado en el procesamiento de termoestables de sección gruesa-, análogo a la tensión residual en el vidrio rápidamente templado.
Figura 2.En un curado de 120 grados de una sola-etapa de una sección de 20 mm, la temperatura central excede rutinariamente el punto de ajuste del horno entre 20 y 45 grados durante la -exotermia de reticulación. El perfil de dos-etapas limita este exceso al iniciar el enlace cruzado-a 80 grados antes de que se aplique la etapa-de temperatura más alta.
Por qué la asamblea pasa la prueba inicial
Figura 3.Después de un curado de una sola-etapa a alta temperatura-, la sección curada lleva un estado de tensión bloqueado-: tensión residual en las capas externas, compresión residual en el núcleo. Este estado de tensión se suma a la tensión térmica cíclica en servicio, acelerando la iniciación de grietas por fatiga.
La tensión de tracción residual en el material de encapsulado exterior procedente de un curado de sección gruesa- de una sola-etapa suele ser inferior a la resistencia a la tracción última del epoxi a temperatura ambiente. La pieza completamente curada no se agrieta durante el curado - o, si lo hace, las micro-fisuras están por debajo del umbral de detección de la inspección visual. La prueba de alto potencial al voltaje nominal pasa porque la rigidez dieléctrica efectiva de la matriz ligeramente estresada no es significativamente diferente de la referencia no estresada.
El problema se revela bajo el ciclo térmico, y el mecanismo es sencillo: cada ciclo térmico de baja temperatura a alta temperatura genera tensiones cíclicas de tracción y compresión en el material del encapsulado, impulsadas por el desajuste de CTE entre el epoxi, los componentes integrados y la carcasa. En los sitios de concentración de tensiones - esquinas, bordes de componentes, puntos de salida de cables y la interfaz del encapsulado-a-la carcasa - la amplitud de tensión cíclica es mayor. La tensión de tracción residual del curado se suma directamente a la tensión de tracción cíclica en estos lugares, porque ambas son tensiones de tracción que actúan en la misma dirección durante la fase de calentamiento del ciclo térmico.
La amplitud de la tensión combinada - tensión de curado residual más la tensión térmica cíclica - aún puede estar por debajo de la resistencia a la tracción última del epoxi en el primer ciclo. Alcanza el umbral de iniciación de grietas por fatiga después de una cantidad de ciclos que depende de la magnitud de la tensión residual específica, el desajuste del CTE, la amplitud del ciclo térmico y la geometría del concentrador de tensiones. Esta es la razón por la que la falla aparece después de 50 a 200 ciclos, no en la prueba inicial. No se trata de degradación del material a lo largo del tiempo -, sino de acumulación de tensión hasta un umbral.
Por qué esta falla se identifica erróneamente sistemáticamente
Cuando una investigación de fallas de campo encuentra grietas en el material de encapsulado epóxico, son comunes varias identificaciones erróneas:
"Fatiga material"- el epoxi falló por fatiga, lo que implica que el material era inadecuado para la aplicación. El mecanismo real es la acumulación de tensión a partir de una combinación de tensión de curado residual y tensión térmica cíclica. Cambiar a un material epóxico diferente sin cambiar el proceso de curado replicará la falla, porque el mecanismo de tensión residual depende del proceso-, no del material-.
"Daño por choque térmico"- el conjunto estuvo expuesto a un evento térmico inusualmente severo. Esto a veces es cierto, pero los patrones de grietas debidos al choque térmico generalmente se inician en la superficie exterior y se propagan hacia el interior. Las grietas por tensión residual generalmente se inician en características geométricas internas (bordes de componentes, salidas de cables) y se propagan hacia afuera. La ubicación del origen de la grieta distingue los dos mecanismos en la sección transversal-.
"Adhesión insuficiente al encapsulado"- el epoxi no se adhirió bien al sustrato o a la carcasa. La delaminación en la interfaz del encapsulado-carcasa puede ser el resultado de una preparación inadecuada de la superficie, pero también puede ser el resultado de una tensión de tracción residual que excede la resistencia de la unión interfacial. Esto último no requiere fallas en la preparación de la superficie - ocurre en superficies limpias y correctamente preparadas cuando la tensión residual es suficientemente alta.
"Calidad de los componentes"- falló un componente principal o una terminación. En los casos en que la grieta se propaga a la interfaz de un componente, la apariencia de la grieta puede identificarse erróneamente como una falla del componente. El análisis de la sección transversal- distingue entre una grieta que se inició en el componente y una que se propagó hasta él desde el epoxi circundante.
En la mayoría de estas identificaciones erróneas, el registro del proceso de curación no se revisa como parte de la investigación de fallas. El programa de curado que figura en el viajero de producción coincide con la especificación - porque la especificación enumera el punto de ajuste del horno y la duración programada, no la temperatura realmente alcanzada en el centro de la sección en maceta. El mecanismo de tensión residual es invisible en el registro de producción.
El perfil de curación en dos etapas: cómo reduce el estrés residual
El perfil de curado en dos-etapas aborda el mecanismo exotérmico directamente dividiendo la reacción de reticulación-en dos etapas controladas:
Etapa 1 a 80 gradosinicia la reacción de reticulación-a una temperatura más baja, donde la velocidad de reacción es más lenta y la generación de calor exotérmico por unidad de tiempo es menor. A 80 grados, el sistema comienza a generar -densidad de enlaces cruzados - suficiente para evitar la rápida aceleración de la velocidad de reacción que se produciría si el sistema se expusiera inmediatamente a 120 grados. La velocidad de reacción inicial más baja reduce la exotermia autogenerada, manteniendo la temperatura central más cerca del punto de ajuste del horno. La densidad del enlace cruzado-se desarrolla de manera más uniforme a lo largo de la profundidad de la sección durante la Etapa 1.
Etapa 2 a 120 gradosluego hace que el sistema se cure por completo. Para cuando comienza la Etapa 2, la red de la Etapa 1 ya ha desarrollado suficiente rigidez para limitar la exotermia adicional durante la Etapa 2. El entrecruzamiento restante- ocurre en una red que está parcialmente restringida por la estructura de la Etapa 1, y el diferencial de temperatura entre el núcleo y la superficie durante la Etapa 2 se reduce sustancialmente en comparación con un curado de 120 grados de una sola-etapa.
El resultado es una sección curada con menor tensión de tracción residual en el material exterior. El conjunto todavía tiene algo de tensión residual - ningún proceso de curado la elimina por completo - pero la magnitud se reduce lo suficiente como para que la amplitud combinada de la tensión residual más la tensión térmica cíclica permanezca por debajo del umbral de inicio de grietas por fatiga para una vida útil significativamente más larga.
Este no es un argumento teórico. Se observa empíricamente: los ensamblajes que experimentaron un retraso en el agrietamiento con un curado de una sola-etapa a 120 grados en el mismo material de encapsulado han mostrado una vida útil prolongada después de cambiar a un perfil de dos-etapas, sin cambiar el material, la geometría ni ningún otro parámetro del proceso. El calendario de curación es la variable.
La brecha crítica en las pruebas de calificación
Las secuencias de prueba de calificación estándar para conjuntos encapsulados generalmente incluyen un número limitado de ciclos térmicos - 50 a 100 ciclos, lo cual es común en las normas IEC y UL para categorías de equipos específicas. Un conjunto encapsulado de sección gruesa-con tensión residual de un curado de una sola-etapa puede pasar 50 o incluso 100 ciclos térmicos antes de que la tensión acumulada alcance el umbral de inicio de grieta. Cuando la falla ocurre entre 150 y 200 ciclos en servicio - que pueden corresponder a 12 a 18 meses de operación a uno o dos ciclos térmicos por día - la secuencia de calificación no la expuso.
Esta es una brecha sistemática: la calificación se realizó correctamente, la prueba pasó, pero el modo de falla opera en una escala de ciclo más larga que la que cubre la prueba. Los diseños en los que el proceso de curado introduce tensión residual requieren una secuencia de ciclo térmico de calificación más larga o un proceso de curado que reduzca la tensión residual a un nivel en el que el recuento del ciclo de calificación estándar sea genuinamente predictivo de la vida útil.
El perfil de curado en dos-etapas reduce la magnitud de la tensión residual, lo que reduce la amplitud de la tensión total por ciclo. Esto, combinado con el mismo recuento de ciclos térmicos en la secuencia de calificación, proporciona una seguridad genuina en lugar de una seguridad limitada por la incapacidad de la prueba para revelar el modo de falla.
Identificar si un diseño actual está en riesgo
Las siguientes condiciones de diseño y proceso indican un riesgo elevado de tensión residual en el encapsulado epóxico-de sección gruesa:
La profundidad de la sección de encapsulado supera los 10 mm en cualquier dimensión.
El programa de curación actual es de una sola-etapa a 100 grados o más.
No hay monitoreo de termopar de la temperatura central durante el curado - solo se registra la temperatura del aire de la superficie o del horno.
El historial de fallas muestra grietas que aparecen después de múltiples ciclos térmicos en servicio, y los ensamblajes pasan la inspección inicial.
Las ubicaciones de origen de las grietas en la sección transversal-se encuentran en los bordes de los componentes, las salidas de los cables o las características de la geometría interna - y no en la superficie exterior.
El recuento de ciclos térmicos de calificación fue de 50 ciclos o menos y se espera que la vida útil involucre 200 o más ciclos térmicos.
Un paso de verificación práctico es producir muestras de prueba con el espesor de la sección de producción real y el programa de curado, incrustar un termopar en el centro de la sección y registrar el perfil de temperatura central real durante el curado. Si la temperatura central excede significativamente el punto de ajuste del horno durante la fase de reticulación-, el mecanismo exotérmico está activo y se genera tensión residual.
HDT, Tg y RTI: las propiedades térmicas que definen el entorno operativo
Un perfil de curado en dos-etapas, ejecutado correctamente, produce un material curado con todas las propiedades térmicas nominales: Tg 117,8 grados según TMA (ASTM E831), HDT 130 grados, RTI 130 grados según el archivo UL E120665. Estos valores definen el entorno operativo para el conjunto curado:
Tg 117,8 grados- la temperatura de transición vítrea medida mediante análisis termomecánico; Úselo para cálculos de presupuesto de CTE y análisis de estabilidad dimensional. Por encima de la Tg, el CTE aumenta de 49,772 ppm/grado (1, por debajo de la Tg) a 148,482 ppm/grado (2, por encima de la Tg) - aproximadamente un aumento de 3 veces.
HDT 130 grados- la temperatura a la que el material curado se desvía bajo una carga estándar de 1,8 MPa; Úselo para soportar cargas mecánicas-a temperaturas elevadas.
RTI 130 grados- Calificación de UL para retención continua de propiedades eléctricas y mecánicas; Los diseños que requieren servicio continuo por encima de 90 grados y que están fuera de la clasificación de E532/H532 (RTI 90 grados) están dentro de la clasificación de E536/H536.
Estos valores de propiedades térmicas solo se logran cuando el curado en dos-etapas se completa correctamente. Un conjunto que recibió solo la Etapa 1 - o la Etapa 1 a temperatura insuficiente - tendrá Tg y HDT por debajo de estos valores. Las muestras testigo curadas junto con los lotes de producción y analizadas para HDT proporcionan una verificación práctica del proceso: una HDT medida sustancialmente por debajo de 130 grados indica un curado incompleto de la Etapa 2.
Producto relacionado para encapsulado de secciones-gruesas con control de tensión de curado
E536/H536 es un compuesto de encapsulado epóxico retardante de llama-de dos-componentes, UL 94 V-0, diseñado específicamente para aplicaciones de sección gruesa-donde la tensión de curado es el principal mecanismo de falla. Su perfil de curado en dos etapas (80 grados × 2 horas + 120 grados × 4 horas) limita la exotermia del núcleo durante la Etapa 1 y logra el desarrollo completo de la propiedad en la Etapa 2. RTI 130 grados, HDT 130 grados, Shore D 89 y espesor mínimo certificado por UL de 1,58 a 1,74 mm (color negro) según el archivo UL E120665.
No es apropiado para aplicaciones que requieren una conductividad térmica superior a 0,5 W/m·K (use E533/H533 para eso) o para entornos de producción de curado a temperatura ambiente-(use E532/H532 para eso). El perfil de curado de dos etapas-requiere capacidad de horno a 80 grados y 120 grados con tiempos de rampa y retención controlados.
👉 🔗 Página del producto E536/H536 - Datos técnicos, Informe de prueba TMA, Notas de aplicación
Preguntas clave de ingeniería
¿Cómo sé si mi ensamblaje actual tiene tensión residual de su proceso de curado?
El método directo consiste en incrustar un termopar en el centro de la sección de encapsulado y registrar la temperatura central durante el curado. Si la temperatura central excede el punto de ajuste del horno en más de 10 a 15 grados durante la fase de reticulación-, se genera tensión residual. El método indirecto consiste en realizar ciclos térmicos acelerados hasta un número de ciclos significativamente mayor que la secuencia de calificación (por ejemplo, 500 ciclos) e inspeccionar los sitios de iniciación de grietas. Las grietas que se inician en las características de la geometría interna en lugar de en la superficie exterior son consistentes con la tensión residual como impulsora.
Si cambio de un programa de curación de una-etapa a uno de dos-etapas en mi ensamblaje existente, ¿tengo que volver a calificar?
En la mayoría de los casos, sí - como mínimo, el cambio en el proceso de curado debe reflejarse en la especificación del proceso de producción y validarse en muestras de prueba para confirmar que las propiedades de curado cumplen con los requisitos de diseño. Para los ensambles que forman parte de un producto final listado por UL-, el cambio en el programa de curado del compuesto de encapsulado puede generar una notificación o un requisito de re-evaluación con el organismo de listado. Esto debe confirmarse antes de implementar el cambio de proceso. La validación debe incluir ciclos térmicos hasta un recuento de ciclos suficiente para confirmar que el modo de falla que apareció en el programa de curación anterior no aparece en el nuevo.
¿Se puede medir la tensión residual de forma no-destructiva en ensamblajes terminados?
La medición no-destructiva de la tensión residual en epoxi es técnicamente posible mediante técnicas como la fotoelasticidad o la micro-espectroscopia Raman, pero no son herramientas de producción de rutina. El análisis destructivo de secciones transversales-seguido de una inspección microscópica de grietas es más práctico para la verificación de la producción. La herramienta de verificación de producción más accesible es la muestra testigo: una muestra curada producida simultáneamente con cada lote de producción, almacenada y probada periódicamente mediante ciclos térmicos e inspección de sección transversal-. La desviación en la muestra testigo predice, pero no garantiza, lo que está presente en el lote de producción.
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