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            汽車電子的防護及含氟丙烯酸納米涂層工藝

            派旗納米 瀏覽次數:759 分類:行業資訊

            前幾年,汽車新四化這個提法深入人心,智能化(ADAS Autonomous)、網聯化(Connected)、電動化(Electrification)、共享化(Shared services)為代表的“新四化”時代,從目前來看主要的分支就是一方面電動化,一方面在整個電子電氣架構演變中逐漸圍繞軟件開發為主。圍繞著域控制器甚至是車載電腦的開發,汽車里面開始引入高算力、高頻的應用,隨之而來的問題是,如何在這種環境下對汽車電子的高算力部件進行有效的防護。

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            汽車電子的防護

            目前大部分車企,都是計劃從原有的分布式兼容的EE架構,往跨領域的集中式EE架構,演化成由全車功能分配出發,基于車載計算平臺(邊緣計算和云計算結合)的車輛一體化的EE架構。以大眾為例,計劃從傳統的一輛MQB的車輛架構有近70個ECU,數量削減到3-5個核心的高性能車載計算平臺(HPC)。通過對這幾個核心的HPC掌控,大眾會把自己車輛的軟件功能從傳統的外包模式轉向內部開發,把原有的依賴于200個供應商不斷把軟件轉化成圍繞自己VW.OS的操作系統,把所有的汽車平臺的差異邁向由軟件定義。

            圖1 各個不同類型的車企對于EE架構的演化

            從這些核心的控制器來說,它變得有以下的特點: 采用高性能車用多核微處理器芯片(MPU,可擴展至9核),計算性能高至 10~28kDMIPS 由于控制器的功能變得更復雜,這類域控制器的設計防護要求都要達到防塵防水IP6K9,工作溫度-40~85度,振動等級要求在2.8g。

            由于這一輪汽車高算力芯片的導入屬于時間緊,要求高,包含了各種關鍵的內容,對于后續核心電子系統的失效和防護提出了很大的挑戰。 汽車里面,從整車架構、子系統、部件等層次,做失效模式影響分析的時候,一級牽涉一級,每個結果都有失效模式。汽車中零部件在應用中的失效機理主要分兩大類:

            1)過應力(OverStress)單一的應力導致部件過線 這里還是分兩種,一種是非材料損傷的問題,如電氣、機械和熱。典型的例子為供電不足或者是達不到啟動條件。 第二種是材料損傷,有以下的種類斷裂、彎曲、彎曲和硬度、過壓、 靜電、 電離擊穿、熱擊穿 ,這些瞬間的應力,就直接對部件產生了損壞。這里最重要的一個概念是,所有的電阻電容,其實都是由材料工藝做成的,比如板級的彎曲應力,作用在元器件上,焊點和內部的構造,就會產生一定的損傷。

            2)累積損傷(Cumulative Damage):持續的使用達到了部件的耐久限制,導致失效。 這里才是長期可靠性的設計問題所在,器件本身是暴露環境中的,持續長久的使用導致了元件材料的退化和損傷,積累到一定程度就出現失效。包含磨損、腐蝕、疲勞 、金屬遷移、蠕變 、老化、互擴散、解聚和脆化。

            圖2 汽車零部件的失效機理

            在考慮核心域控制器的環境適應性的目標的時候,往往目前會給這些核心部件最好的艙內的位置,這樣可以給予相對最寬松的工作溫度情況、事宜機械振動頻率和振動強度、環境氣候、耐腐蝕性、EMC性能及外殼防護要求等。但是基本環境要求是跑不掉的,在傳統的汽車電子設計中往往采用三防漆可以用于環境防護。在眾多精細和要求苛刻的電子產品應用中,特別對汽車上敏感電路和元器件的長期、可靠的保護變得越來越重要。為此,從費用和性能的角度,可以分為不密封的ECU、密封的ECU,再通過涂有三防漆甚至是把核心部件整體封起來以達到更高的環境適應性。

            汽車其實工作的范圍很廣,潮濕對于汽車電子的失效作用特別明顯,比如導體間的絕緣抵抗性、加速高速分解、降低Q值、及腐蝕導體。對應于PCB上的的現象,典型的主要包括銅綠金屬部分起了銅綠就是沒有涂覆三防漆金屬銅與水蒸氣、氧氣共同其化學反應引起的;還有離子遷移和枝晶增長,枝晶生長是電解過程,其中來自陽極區域的金屬遷移到陰極區域。這種現象隨著電路板表面上存在水分和離子污染而加速,兩個電壓跡線具有不同的電壓電位。

            圖3 電子保護的分層

            如下圖所示,自動駕駛的控制器上的器件設計越來越精密、體積越來越小、集成度越來越高,熱脹冷縮對器件的影響力是很大的,對應力越來越敏感。

            圖4?Tesla Autopilot上各種小封裝的電容支撐主板高頻運行

            電子元器件的設計趨勢越來越精細,規格也越做越小,因此對于三防漆的應用也從以往的偏硬漸漸的轉向軟性三防漆(敷形涂料) 這里簡單回顧以下,三防漆是一種特殊配方的涂料,用于保護電路板免受壞境的侵蝕。三防漆是應用于印刷電路或者是其它電子基材的薄層材料(一般厚度為幾十到上百微米),提供環境的和機械的保護作用,從而顯著地延長元器件和電路的使用壽命。其固化后在電路器件上形成一層保護透明保護膜,抵御外部化學物質(燃料、冷卻劑等)、震動、濕氣、鹽霧、潮濕的傷害。

            敷形涂料可以保護電子印制電路板免受潮濕和污染物的損害,避免短路和其對導體和焊點的腐蝕。它還能使導體間的金屬樹枝狀生長和電遷移最小化。應用敷形涂料還可以保護電路和元器件免受磨損和溶劑的影響。在對電路板的絕緣性起到保護作用的同時,還提供了應力消除作用。

            02

            三防漆的材料

            三防漆的化學成分常見的有三類:丙烯酸(AR),聚氨酯(UR), 有機硅(SR),以及含氟丙烯酸類納米三防漆,即納米涂層。不同類型產品是有差異的

            1.丙烯酸(AR):優點是固化后堅硬和強韌,易于干燥和固化(通常含溶劑),價格通常較低;缺點是耐熱溫度低(通常85 -125C),溶劑VOC 含量高,熱應力大,不適用于惡劣工作環境。

            2.聚氨酯(UR):優點是耐磨, 耐溶劑,低溫下柔韌,中等價格;缺點:耐溫一般(通常最高115-125 C),濕氣敏感,毒性,難于返修。

            3.有機硅(SR):優點是高耐溫(通常150-200 C),應力低,低溫下柔韌,高介電強度,潤濕性好;缺點是高膨脹系數,高透氣性,價格較高。 這里重點還是探討下有機硅類三防漆的材料,綜合來說,它突出的三大特質使得長遠來看它更適合于汽車電子的應用。

            工作溫度范圍:有機硅適用溫度范圍更寬

            可靠性:有機硅三防漆的長期可靠性更好,應力低

            易于使用和返修: 有機硅相對更友好

            圖5 核心溫度范圍的使用差異。

            陶氏有機硅在有機硅材料領域居于世界領先地位,為全球25,000多家客戶提供7,000余種有機硅產品以及相關服務。Dow有機硅三防漆尤其在汽車等極其惡劣的工作環境中,對于保護電路,保持元器件和線路的低應力環境非常有用。在線路板三防行業,業界對DOWSIL 1-2577 LV都比較熟悉,它是一種室溫固化也可低溫加熱快速固化的彈塑性硅樹脂,其化學性能優異,以致風靡全球近30年。此外,DOWSIL 3-1953 作為一款無溶劑型硅彈性體三防漆在汽車行業有近20多年的大量成熟應用而享譽業界。還有UV濕氣雙固化的彈性體也已經面世了,DOWSIL CC-8030。陶氏有機硅根據粘度,固化速度,硬度,固化條件還有眾多選擇 從使用效果來看,我們也可以做一些對比,如下圖所示,80oC/95%相對濕度條件下老化和測量,1-2577 有機硅與聚氨酯A/B 三防漆進行對比,從絕緣阻抗來看有很大的優勢。

            圖6 有機硅與聚氨酯材料對應絕緣阻抗隨老化之后的對比

            有機硅憎水性意味著它們不容易吸收水分子,高氣體滲透性使得濕氣快速散逸,從而消除潛在腐蝕源。聚二甲基硅氧烷非常低的表面張力和優異的潤濕特性,以及通過先進的粘性增強劑得到的粘結特性,幫助實現無空隙粘結,從而進一步提高整體可靠性。 由于彈性材料能幫助減小振動影響并能吸收可能破壞敏感組件和底材的熱膨脹差異,因而低模量對于使電子組件應力最小化也很重要。對比長期吸水率與介電失效來說,有機硅類對于水分和潮濕的抵抗作用效用更為明顯。

            小結:三防漆對于可以有效保護汽車電子電路板免受壞境的侵蝕,對于延長汽車使用壽命至關重要。隨著汽車電子元器件的設計趨勢越來越精細,規格也越做越小,因此對于三防漆的應用也從以往的偏硬漸漸的轉向軟性三防漆(敷形涂料)。

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