Đổ keo epoxy, silicone bảo vệ mạch điện tử (potting): chọn keo, tính lượng keo, đổ không bọt khí

Đổ keo bảo vệ mạch điện tử: so sánh epoxy, polyurethane, silicone, tính lượng keo, ảnh hưởng tới nhiệt và mối hàn, các chỗ phải che, quy trình đổ không bọt khí, xử lý lỗi thường gặp.

Đổ keo (potting) là đổ một lớp nhựa lỏng ngập toàn bộ mạch trong hộp, để nó đông lại thành khối kín. Mạch được bảo vệ khỏi nước, bụi, rung động và cả việc bị mở ra sao chép. Nhược điểm là gần như không sửa được, và nếu chọn sai keo hay đổ sai cách, keo có thể làm nứt mối hàn, làm nóng linh kiện hoặc làm yếu Wi-Fi. Bài này so sánh epoxy, polyurethane, silicone, chỉ cách tính lượng keo, các vùng cần che và quy trình đổ không bọt khí.

1. Khi nào nên đổ keo

Đổ keo phù hợp với thiết bị đặt ngoài trời nơi hộp kín vẫn không đủ, thiết bị chịu rung mạnh như gắn trên xe, máy bơm, hoặc mạch cần bảo vệ thiết kế. Với đa số dự án tự làm, hộp đạt IP65 kèm ốc siết cáp hoặc phủ conformal coating là đủ và vẫn sửa được. Trước khi quyết định, hãy tự hỏi: khi mạch hỏng, mình có chấp nhận thay cả khối không?

Đổ keo và phủ conformal coating khác nhau: coating là lớp mỏng vài chục micromet, chống ẩm nhẹ, còn đổ keo tạo khối dày, chống nước và chống va đập tốt hơn nhiều, bù lại nặng và khó sửa.

2. Chọn loại keo

• Epoxy: cứng, bám tốt, chống hóa chất, rẻ. Vì cứng nên ứng suất nhiệt lớn, không hợp với mạch có linh kiện nhạy.
• Polyurethane: dẻo hơn, hợp với nơi có rung. Nhiều loại nhạy với ẩm khi pha, dễ sinh bọt.
• Silicone: mềm, chịu nhiệt rộng, ít ứng suất, có thể bóc ra để sửa. Giá cao hơn.

Chọn đúng keo dùng cho điện tử, có công bố độ bền điện môi. Keo silicone xây dựng đông bằng hơi ẩm thường tỏa axit axetic (mùi giấm), ăn mòn mạch: không dùng. Keo AB dán đồ gia dụng cũng không có thông số điện, và có thể hút ẩm.

3. Tính lượng keo

Thể tích keo bằng thể tích hộp tới mức keo, trừ mạch và linh kiện. Ví dụ hộp trong 100 × 68 mm, mức keo 20 mm, mạch 40 cm² dày 1,6 mm, linh kiện khoảng 15 cm³: cần 114,6 cm³. Keo tỉ trọng 1,15 g/cm³, cộng 10 % dự phòng, cần pha khoảng 145 g. Tỉ lệ 2:1 theo khối lượng là 97 g thành phần A và 48 g thành phần B.

# PYWORLD.VN - Tính nhanh khi đổ keo bảo vệ mạch: lượng keo cần pha, độ tăng nhiệt qua lớp keo, chênh lệch giãn nở với mạch in
# PYWORLD.VN - Sửa các số ở phần __main__ theo hộp và keo của bạn; số trong bài là ví dụ, lấy tỉ trọng, độ dẫn nhiệt từ datasheet keo
# PYWORLD.VN - Chạy: python tinh_do_keo.py          (chỉ dùng thư viện chuẩn)


def the_tich_keo_cm3(dai_mm, rong_mm, cao_keo_mm, dt_mach_cm2, day_mach_mm, the_tich_linh_kien_cm3):
    """Thể tích trong hộp tới mức keo, trừ mạch in và linh kiện."""
    hop = dai_mm * rong_mm * cao_keo_mm / 1000
    mach = dt_mach_cm2 * day_mach_mm / 10
    return hop - mach - the_tich_linh_kien_cm3


def khoi_luong_can_pha_g(the_tich_cm3, ti_trong_g_cm3, du_phong=0.10):
    return the_tich_cm3 * ti_trong_g_cm3 * (1 + du_phong)


def chia_ti_le(khoi_luong_g, a, b):
    """Chia hai thành phần theo tỉ lệ khối lượng A : B."""
    return khoi_luong_g * a / (a + b), khoi_luong_g * b / (a + b)


def tang_nhiet_K(cong_suat_W, day_mm, k_W_mK, dt_cm2):
    """Dẫn nhiệt một chiều qua một lớp phẳng: dT = P·t / (k·A)."""
    return cong_suat_W * (day_mm / 1000) / (k_W_mK * dt_cm2 / 1e4)


def gian_no_mm(he_so_ppm_K, dai_mm, dT_K):
    return he_so_ppm_K * 1e-6 * dai_mm * dT_K


if __name__ == "__main__":
    v = the_tich_keo_cm3(100, 68, 20, 40, 1.6, 15)
    print(f"The tich keo: {v:.1f} cm3")
    m = khoi_luong_can_pha_g(v, 1.15)
    a, b = chia_ti_le(m, 2, 1)
    print(f"Epoxy ti trong 1,15: can pha {m:.0f} g, ti le 2:1 la {a:.0f} g A + {b:.0f} g B")
    for ten, k in (("khong khi dung yen", 0.026), ("epoxy thuong", 0.2), ("silicone dan nhiet", 1.0)):
        print(f"2 W qua lop {ten} day 5 mm, dien tich 68 cm2: tang {tang_nhiet_K(2, 5, k, 68):.1f} K")
    for ten, he_so in (("FR4 theo mat mach", 16), ("Epoxy cung", 60), ("Silicone", 250)):
        print(f"{ten}: dai 80 mm, nhiet tang 60 K, gian {gian_no_mm(he_so, 80, 60):.3f} mm")

Pha đúng tỉ lệ và theo đúng đơn vị của hãng: có loại theo khối lượng, có loại theo thể tích. Dùng cân điện tử. Sai tỉ lệ, keo không đông hoặc bị dính mãi.

4. Keo ảnh hưởng tới nhiệt và mối hàn

• Nhiệt: nhiều người nghĩ keo làm mạch nóng hơn. Thật ra trong hộp kín, keo dẫn nhiệt tốt hơn không khí nhiều lần, miễn là có đường thoát ra vỏ. Điều cần lưu ý là linh kiện công suất lớn đang tỏa nhiệt qua khí đối lưu, hoặc có tản nhiệt riêng: phải tính lại nhiệt độ của chúng.
• Giãn nở: khi nóng thêm 60 K, epoxy giãn nhiều gấp khoảng bốn lần mạch FR4. Khác biệt này tạo lực lên chân linh kiện, nhất là linh kiện lớn dán bề mặt. Silicone giãn nhiều hơn nữa nhưng mềm nên lực không đáng kể. Với thiết bị thay đổi nhiệt độ thường xuyên, chọn keo mềm.
• Tỏa nhiệt khi đông: keo hai thành phần sinh nhiệt. Khối càng lớn nhiệt càng khó thoát, có thể làm nứt keo hoặc hỏng linh kiện. Đổ nhiều lớp mỏng và chờ giữa các lớp theo hướng dẫn của hãng.

5. Những chỗ cần che

• Linh kiện có chỗ hở: relay không kín, biến trở, nút nhấn, đầu nối, thạch anh kiểu vỏ hở. Keo chảy vào là hỏng.
• Cảm biến: cảm biến áp suất, độ ẩm, khí phải tiếp xúc với không khí. Để ngoài vùng keo.
• Anten Wi-Fi, LoRa: keo có hằng số điện môi lớn hơn không khí, làm lệch tần số anten. Tốt nhất đưa anten ra ngoài hoặc đo lại tầm sau khi đổ.
• Tụ nhôm: van an toàn trên đỉnh tụ cần chỗ để mở; không nên phủ kín bằng keo cứng.
• Điểm đo và cổng nạp: đưa ra đầu nối ngoài trước khi đổ, nếu không sau này không cập nhật được firmware.

6. Quy trình đổ keo

1. Thử đủ chức năng trước khi đổ, nên chạy nóng vài giờ. Mạch lỗi đã đổ keo là bỏ đi.
2. Rửa sạch bằng cồn IPA để loại nhựa thông, sấy khô. Ẩm bị nhốt dưới keo sẽ gây rò điện.
3. Che các chỗ ở mục 5 bằng keo Kapton hoặc nắp.
4. Pha: làm ấm keo ở nhiệt độ phòng nếu đặc. Khuấy chậm, cạo thành cốc, không đánh mạnh để tránh bọt khí.
5. Đổ thành dòng mỏng theo thành hộp, để keo dâng lên từ đáy và đẩy khí ra, đừng đổ từ trên xuống ngay mặt mạch.
6. Khử bọt: để yên, hoặc dùng buồng hút chân không nếu có. Bọt lớn sát mạch có thể gây rò điện với mạch cao áp.
7. Đông cứng: đủ thời gian theo datasheet, ở nơi khô, sạch. Keo khô mặt không có nghĩa là đã đông hết.
8. Thử lại sau khi đông, và đo cách điện nếu là mạch 220 V.

An toàn: đeo găng tay, kính, làm nơi thoáng khí; nhiều loại keo gây dị ứng da và hơi có hại. Đọc bảng an toàn của keo.

7. Xử lý lỗi thường gặp

8. Xem thêm

Muốn thử mạch trước khi đổ, xem tìm lỗi mạch điện tử từng bước. Bài cùng cụm chủ đề: chuẩn IP; hộp điện nhựa chống nước; ốc siết cáp; phủ conformal coating.