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通过三防漆最大限度地提高汽车电子系统的性能和可靠性
  2020-06-23      45

作者:Phil KinnerELECTROLUBE公司

尽管在现代汽车上的电子系统的价值已经超过汽车总成本的20%,但人们估计在未来的五年内汽车上的电子系统的价值将超过35%。随着电动汽车不断普及和物联网(IoT)的发展,无人驾驶汽车正朝我们走来,谷歌公司和宝马公司分别在美国加州和德国巴伐利亚州的公路上测试无人驾驶汽车,与上个世纪七十年代第一次把电子燃油喷射系统引入主流汽车生产时的境况相比,汽车行业的未来将大不相同。

强大的网络控制器和低成本传感器的开发使汽车电子产品得以迅速发展。低成本、高可靠性的电子系统的开发也为发动机管理、娱乐信息、改善乘客的舒适度和安全等应用,成为大部分现代汽车中的标准配置铺平道路。

现代新汽车的保修期一般是五年,甚至是七年。这是对元件供应商的巨大挑战,他们必须以可接受的成本开发具有长期可靠性的新设计。汽车电子系统不仅要承受极端温度、高湿度和冷凝,并且暴露在腐蚀性气体中的时间越来越长。随着电动汽车的不断发展,不仅要使用更高的电压,还要不断提高绝缘保护来确保设计的元件密度符合尺寸与重量限制。

这些电子系统越来越精密,这通常意味着他们对污染与不利外部环境条件的反应更加灵敏。不仅如此,这些相互连接的汽车电子系统之间的依赖性日益提高,一个组件出故障可能会危及其他组件的正常运行。在航空航天应用中,可能会在系统内设置两层或三层的冗余,而汽车的设计和航空航天应用不同,必须保证在产品的整个生命周期内的第一次、每一次都能正确工作。

三防漆保护电路

三防漆是具有保护作用的是一层很薄的聚合物涂层,通常用在电子产品的电路板或组件上,在不会过多提高成本或增加重量的前提下,提供与环境有关的必要保护。对于汽车产业,需要三防漆的电子产品是在车厢内(电子系统位于乘客车厢内)和引擎盖下(电子系统非常靠近发动机)。区分这些电子产品的类别便于讨论不同类别产品的主要要求;不过,随着组件的复杂性越来越高,并且朝多功能组件的方向发展,这些传统的环境不断融合,而电动汽车中功率更高的电子产品也进一步模糊这些环境的边界。

位于车厢内的电子传感器和系统基本占用与车内乘客相当的空间。在冬天,这可能意味着非常冷,周围空气中的水分可能会凝结在汽车上,在夏天,汽车周围的空气可能既热又潮湿。而冷凝的水和高湿度都会造成腐蚀,都是对电子产品可靠性的挑战。除此之外,电子产品可能会接触大气中的污染物,例如清洗溶剂、四处飞溅的液体,等等;这里的任何一个因素都可能产生潜在的可靠性风险,特别是与潮湿和冷凝有关的风险(图1)。

1.JPG

腐蚀是一个复杂的电化学过程,有各种不同的潜在机制和原因,这方面详细的论述超出本文的范围。不过,在绝大多数情况下,发生腐蚀必须满足以下三个条件:

1.     从本质上看,电化学过程发生在两种不同金属之间(例如金和银之间,镍和锡之间),或者是由于在两种金属之间有偏压,分别形成阳极和阴极。

2.     存在离子(通常是盐、卤化物、氢氧化物等)。

3.     存在单层的冷凝水,这些水溶解各种离子,形成电解质溶液。

要避免出现腐蚀的可能性,就必须避免出现任何一个发生腐蚀的必要条件。选择金属材料时,只限于那些在焊锡中和焊锡表面层的化学材料中使用的金属,这是选择不同金属时的选择范围。由于电子产品组装的自然特性,电路板上总是会有存在电位差的区域。清洗有助于清除各种离子,但不能避免各种离子在运行环境中再次沉积。

三防漆作为防潮屏障,可以防止电解液形成。涂层必须是良好的防潮屏障,必须很好地附着在基板上以防止它和基板之间分层。一旦涂层脱开,水分最终会汇集到涂层脱开位置形成的口袋里,和原来留在基板上的离子污染物形成电解液。这就是为什么建议在进行三防漆涂覆之前要先进行强力清洗,协作避免出现三个腐蚀必要条件中的两个条件。

考虑到汽车车厢内的电子设备的运行环境相对比较好,丙烯酸三防漆历来一直在这个细分市场占据主导地位,提供很好的全面保护,尤其是在高湿度、液体泄漏和四处飞溅的环境下。考虑到引擎盖下的电子设备的位置特殊性,它们比车厢内的电子设备面临更严峻的环境挑战。这种环境受到的控制更少,最高运行温度更高,更容易受到燃料,机油,清洁液,腐蚀性气体、金属微粒和洒水车喷洒的清洗路面的盐水的污染。很明显,引擎盖下和其他非车厢内的电子组件承受的环境条件更加严酷,因此需要使用新型三防漆来提供等级更高的保护。

保护性涂层:下一代产品

引擎盖下面和其他非车厢内的应用中的电子组件的涂层必须有极强的抗湿性、出色的耐化学性、良好的灵活性来承受热偏离和热冲击,能承受更高的运行温度。为了应对这些挑战,Electrolube公司开发出一系列新的高耐久性、无溶剂的改进型聚氨酯三防漆涂敷材料,与常规材料相比,这种材料可以涂得更厚,在80°C下能在10分钟内完全固化,固化可以重复使用在溶剂型工艺中使用的现有热固化炉。

防潮性

锐利边缘的覆盖:涂层完整可靠地覆盖器件的引脚、焊点和其他金属表面使它们具有不易被腐蚀的能力,这是一个长期存在且众所周知的问题,最近的《IPC5-22ARR J-STD-001/三防漆涂覆材料与应用行业评估》中特别提到这个问题。为了说明边缘覆盖和防止液态水以凝结方式形成的重要性,英国国家物理实验室(NPL)目前正在开发一种可控制的冷凝测试。

英国国家物理实验室的研究人员的研究表明,在温度40°C相对湿度93%时,只有1.5°C的温差就会导致水分形成,这些水分足以将铜焊盘样本的表面绝缘电阻(SIR)从TΩ降到1MΩ(检测的极限)。参照图2,来自英国国家物理实验室的数据清楚表明,没有涂敷涂层的组件的表面绝缘电阻值明显下降,纳米涂层和单层的丙烯酸涂层的保护作用都有限,而两层的丙烯酸涂层的保护作用有明显改善。两种新的聚氨酯材料都提供更好的保护作用,特别是聚氨酯UR3,表现出超乎寻常的抗冷凝水的保护能力。

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这种保护能力在某种程度上可以用厚度和覆盖情况来解释(在解释UR4和UR3之间在性能上的明显差别时,特殊的化学配方的作用也很重要),如图3中聚氨酯UR4和UR3样本的横截面所示,即使涂层的厚度是150微米,抗冷凝水的能力两者也相似。

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抗热冲击性能

汽车电子产品通常要在-40°C到125°C的温度下工作,而且工作温度要在两个极端温度之间快速转变。图4是Electrolube公司进行表面绝缘电阻测试的铜焊盘样本,这个样本设计成可以用很多元件进行很难配置的元件布局,以更好地模拟组装生产。铜焊盘选用聚氨脂UR3和UR4涂敷三防漆,目标厚度250 微米,铜焊盘在前面提到的极端温度下承受1000次空对空热冲击循环,热冲击循环的温度变化速率超过40°C/分钟。

把这些焊盘样本放大20倍,目视检查涂层是否存在破裂、分层,以及焊点或元件损坏的迹象。经过1000次循环后,UR3涂层出现一些表面开裂和褪色的迹象,但没有暴露任何金属表面,涂层开裂也没有到达到电路板的表面,而UR4涂层在外观上几乎没有变化。

抗盐雾

为了评估在盐雾环境中的保护效果(模拟冬季驾驶条件),如图4所示的测试样本在经过1000次热冲击循环后,进行196小时的盐雾测试(5%的纳溶液)。在这个测试过程中,对这些样本持续施加50伏特的电压,在整个测试过程中每隔一定时间测量一次绝缘电阻。

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如图5所示,这两种材料的表现都很好都提供极好的抗盐雾环境保护,虽然UR3整个系列的绝缘电阻等级更高,与英国国家物理实验室冷凝测试的结果一致。

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Summary

总结

为了适应汽车行业提高电子产品在日益严苛的条件下可靠性的要求,Electrolube公司开发出一系列无溶剂、高性能的三防漆材料,这种材料的涂敷厚度可以更厚,克服了常见的应用缺陷,同时改进对锐利边缘的覆盖。与传统的三防漆材料、超薄涂层材料乃至紫外固化材料相比,这些新材料在抗热冲击、抗冷凝和耐盐雾环境方面的性能有显著改善。

作者简介:Phil Kinner是Electrolube公司三防漆材料全球业务与技术总监,I-Connect007杂志的专栏作者。Kinner还是《印刷电路组装指南:严苛环境的三防漆》一书的作者。如有需要,可访问I-007eBooks.com下载本文和其他免费教育主题的内容。

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