前几年,汽车新四化这个提法深入人心,智能化(ADAS Autonomous)、网联化(Connected)、电动化(Electrification)、共享化(Shared services)为代表的“新四化”时代,从目前来看主要的分支就是一方面电动化,一方面在整个电子电气架构演变中逐渐围绕软件开发为主。围绕着域控制器甚至是车载电脑的开发,汽车里面开始引入高算力、高频的应用,随之而来的问题是,如何在这种环境下对汽车电子的高算力部件进行有效的防护。

 

 

 

 

 

01、汽车电子的防护

 

 

目前大部分车企,都是计划从原有的分布式兼容的 EE 架构,往跨领域的集中式 EE 架构,演化成由全车功能分配出发,基于车载计算平台(边缘计算和云计算结合)的车辆一体化的 EE 架构。以大众为例,计划从传统的一辆 MQB 的车辆架构有近 70 个 ECU,数量削减到 3-5 个核心的高性能车载计算平台(HPC)。通过对这几个核心的 HPC 掌控,大众会把自己车辆的软件功能从传统的外包模式转向内部开发,把原有的依赖于 200 个供应商不断把软件转化成围绕自己 VW.OS 的操作系统,把所有的汽车平台的差异迈向由软件定义。

 

图 1 各个不同类型的车企对于 EE 架构的演化

 

从这些核心的控制器来说,它变得有以下的特点: 采用高性能车用多核微处理器芯片(MPU,可扩展至 9 核),计算性能高至 10~28kDMIPS 由于控制器的功能变得更复杂,这类域控制器的设计防护要求都要达到防尘防水 IP6K9,工作温度 -40~85 度,振动等级要求在 2.8g。

 

由于这一轮汽车高算力芯片的导入属于时间紧,要求高,包含了各种关键的内容,对于后续核心电子系统的失效和防护提出了很大的挑战。 汽车里面,从整车架构、子系统、部件等层次,做失效模式影响分析的时候,一级牵涉一级,每个结果都有失效模式。汽车中零部件在应用中的失效机理主要分两大类:

 

1)过应力(OverStress)单一的应力导致部件过线 这里还是分两种,一种是非材料损伤的问题,如电气、机械和热。典型的例子为供电不足或者是达不到启动条件。 第二种是材料损伤,有以下的种类断裂、弯曲、弯曲和硬度、过压、 静电、 电离击穿、热击穿 ,这些瞬间的应力,就直接对部件产生了损坏。这里最重要的一个概念是,所有的电阻和电容,其实都是由材料工艺做成的,比如板级的弯曲应力,作用在元器件上,焊点和内部的构造,就会产生一定的损伤。

 

2)累积损伤(Cumulative Damage):持续的使用达到了部件的耐久限制,导致失效。 这里才是长期可靠性的设计问题所在,器件本身是暴露环境中的,持续长久的使用导致了元件材料的退化和损伤,积累到一定程度就出现失效。包含磨损、腐蚀、疲劳 、金属迁移、蠕变 、老化、互扩散、解聚和脆化。

 

图 2 汽车零部件的失效机理

 

在考虑核心域控制器的环境适应性的目标的时候,往往目前会给这些核心部件最好的舱内的位置,这样可以给予相对最宽松的工作温度情况、事宜机械振动频率和振动强度、环境气候、耐腐蚀性、EMC 性能及外壳防护要求等。但是基本环境要求是跑不掉的,在传统的汽车电子设计中往往采用三防漆可以用于环境防护。在众多精细和要求苛刻的电子产品应用中,特别对汽车上敏感电路和元器件的长期、可靠的保护变得越来越重要。为此,从费用和性能的角度,可以分为不密封的 ECU、密封的 ECU,再通过涂有三防漆甚至是把核心部件整体封起来以达到更高的环境适应性。

 

汽车其实工作的范围很广,潮湿对于汽车电子的失效作用特别明显,比如导体间的绝缘抵抗性、加速高速分解、降低 Q 值、及腐蚀导体。对应于 PCB 上的的现象,典型的主要包括铜绿金属部分起了铜绿就是没有涂覆三防漆金属铜与水蒸气、氧气共同其化学反应引起的;还有离子迁移和枝晶增长,枝晶生长是电解过程,其中来自阳极区域的金属迁移到阴极区域。这种现象随着电路板表面上存在水分和离子污染而加速,两个电压迹线具有不同的电压电位。

 

图 3 电子保护的分层

 

如下图所示,自动驾驶的控制器上的器件设计越来越精密、体积越来越小、集成度越来越高,热胀冷缩对器件的影响力是很大的,对应力越来越敏感。

 

图 4 Tesla Autopilot 上各种小封装的电容支撑主板高频运行

 

电子元器件的设计趋势越来越精细,规格也越做越小,因此对于三防漆的应用也从以往的偏硬渐渐的转向软性三防漆(敷形涂料) 这里简单回顾以下,三防漆是一种特殊配方的涂料,用于保护电路板免受坏境的侵蚀。三防漆是应用于印刷电路或者是其它电子基材的薄层材料(一般厚度为几十到上百微米),提供环境的和机械的保护作用,从而显著地延长元器件和电路的使用寿命。其固化后在电路器件上形成一层保护透明保护膜,抵御外部化学物质(燃料、冷却剂等)、震动、湿气、盐雾、潮湿的伤害。

 

敷形涂料可以保护电子印制电路板免受潮湿和污染物的损害,避免短路和其对导体和焊点的腐蚀。它还能使导体间的金属树枝状生长和电迁移最小化。应用敷形涂料还可以保护电路和元器件免受磨损和溶剂的影响。在对电路板的绝缘性起到保护作用的同时,还提供了应力消除作用。

 

02、三防漆的材料

 

 

三防漆的化学成分常见的有三类:丙烯酸(AR),聚氨酯(UR), 有机硅(SR)。不同类型产品是有差异的

 

1. 丙烯酸(AR):优点是固化后坚硬和强韧,易于干燥和固化(通常含溶剂),价格通常较低;缺点是耐热温度低(通常 85 -125C),溶剂 VOC 含量高,热应力大,不适用于恶劣工作环境。

 

2. 聚氨酯(UR):优点是耐磨, 耐溶剂,低温下柔韧,中等价格;缺点:耐温一般(通常最高 115-125 C),湿气敏感,毒性,难于返修。

 

3. 有机硅(SR):优点是高耐温(通常 150-200 C),应力低,低温下柔韧,高介电强度,润湿性好;缺点是高膨胀系数,高透气性,价格较高。 这里重点还是探讨下有机硅类三防漆的材料,综合来说,它突出的三大特质使得长远来看它更适合于汽车电子的应用。

 

工作温度范围:有机硅适用温度范围更宽

 

可靠性:有机硅三防漆的长期可靠性更好,应力低

 

易于使用和返修: 有机硅相对更友好

 

图 5 核心温度范围的使用差异。

 

陶氏有机硅在有机硅材料领域居于世界领先地位,为全球 25,000 多家客户提供 7,000 余种有机硅产品以及相关服务。Dow 有机硅三防漆尤其在汽车等极其恶劣的工作环境中,对于保护电路,保持元器件和线路的低应力环境非常有用。在线路板三防行业,业界对 DOWSIL™ 1-2577 LV 都比较熟悉,它是一种室温固化也可低温加热快速固化的弹塑性硅树脂,其化学性能优异,以致风靡全球近 30 年。此外,DOWSIL™ 3-1953 作为一款无溶剂型硅弹性体三防漆在汽车行业有近 20 多年的大量成熟应用而享誉业界。还有 UV 湿气双固化的弹性体也已经面世了,DOWSIL™ CC-8030。陶氏有机硅根据粘度,固化速度,硬度,固化条件还有众多选择 从使用效果来看,我们也可以做一些对比,如下图所示,80oC/95%相对湿度条件下老化和测量,1-2577 有机硅与聚氨酯 A/B 三防漆进行对比,从绝缘阻抗来看有很大的优势。

 

图 6 有机硅与聚氨酯材料对应绝缘阻抗随老化之后的对比

 

有机硅憎水性意味着它们不容易吸收水分子,高气体渗透性使得湿气快速散逸,从而消除潜在腐蚀源。聚二甲基硅氧烷非常低的表面张力和优异的润湿特性,以及通过先进的粘性增强剂得到的粘结特性,帮助实现无空隙粘结,从而进一步提高整体可靠性。 由于弹性材料能帮助减小振动影响并能吸收可能破坏敏感组件和底材的热膨胀差异,因而低模量对于使电子组件应力最小化也很重要。对比长期吸水率与介电失效来说,有机硅类对于水分和潮湿的抵抗作用效用更为明显。

 

小结:三防漆对于可以有效保护汽车电子电路板免受坏境的侵蚀,对于延长汽车使用寿命至关重要。随着汽车电子元器件的设计趋势越来越精细,规格也越做越小,因此对于三防漆的应用也从以往的偏硬渐渐的转向软性三防漆(敷形涂料)。