引言

前幾年，汽車新四化這個(gè)提法深入人心，智能化(ADAS Autonomous)、網(wǎng)聯(lián)化(Connected)、電動(dòng)化(Electrification)、共享化(Shared services)為代表的“新四化”時(shí)代，從目前來看主要的分支就是一方面電動(dòng)化，一方面在整個(gè)電子電氣架構(gòu)演變中逐漸圍繞軟件開發(fā)為主。圍繞著域控制器甚至是車載電腦的開發(fā)，汽車?yán)锩骈_始引入高算力、高頻的應(yīng)用，隨之而來的問題是，如何在這種環(huán)境下對(duì)汽車電子的高算力部件進(jìn)行有效的防護(hù)。

01

汽車電子的防護(hù)

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

圖1 各個(gè)不同類型的車企對(duì)于EE架構(gòu)的演化

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

由于這一輪汽車高算力芯片的導(dǎo)入屬于時(shí)間緊，要求高，包含了各種關(guān)鍵的內(nèi)容，對(duì)于后續(xù)核心電子系統(tǒng)的失效和防護(hù)提出了很大的挑戰(zhàn)。 汽車?yán)锩?，從整車架?gòu)、子系統(tǒng)、部件等層次，做失效模式影響分析的時(shí)候，一級(jí)牽涉一級(jí)，每個(gè)結(jié)果都有失效模式。汽車中零部件在應(yīng)用中的失效機(jī)理主要分兩大類：

1）過應(yīng)力（OverStress）單一的應(yīng)力導(dǎo)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(jī)械和熱。典型的例子為供電不足或者是達(dá)不到啟動(dòng)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(yīng)力，就直接對(duì)部件產(chǎn)生了損壞。這里最重要的一個(gè)概念是，所有的電阻和電容，其實(shí)都是由材料工藝做成的，比如板級(jí)的彎曲應(yīng)力，作用在元器件上，焊點(diǎn)和內(nèi)部的構(gòu)造，就會(huì)產(chǎn)生一定的損傷。

2）累積損傷（Cumulative Damage）：持續(xù)的使用達(dá)到了部件的耐久限制，導(dǎo)致失效。 這里才是長(zhǎng)期可靠性的設(shè)計(jì)問題所在，器件本身是暴露環(huán)境中的，持續(xù)長(zhǎng)久的使用導(dǎo)致了元件材料的退化和損傷，積累到一定程度就出現(xiàn)失效。包含磨損、腐蝕、疲勞 、金屬遷移、蠕變 、老化、互擴(kuò)散、解聚和脆化。

圖2 汽車零部件的失效機(jī)理

在考慮核心域控制器的環(huán)境適應(yīng)性的目標(biāo)的時(shí)候，往往目前會(huì)給這些核心部件最好的艙內(nèi)的位置，這樣可以給予相對(duì)最寬松的工作溫度情況、事宜機(jī)械振動(dòng)頻率和振動(dòng)強(qiáng)度、環(huán)境氣候、耐腐蝕性、EMC性能及外殼防護(hù)要求等。但是基本環(huán)境要求是跑不掉的，在傳統(tǒng)的汽車電子設(shè)計(jì)中往往采用三防漆可以用于環(huán)境防護(hù)。在眾多精細(xì)和要求苛刻的電子產(chǎn)品應(yīng)用中，特別對(duì)汽車上敏感電路和元器件的長(zhǎng)期、可靠的保護(hù)變得越來越重要。為此，從費(fèi)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(dá)到更高的環(huán)境適應(yīng)性。

汽車其實(shí)工作的范圍很廣，潮濕對(duì)于汽車電子的失效作用特別明顯，比如導(dǎo)體間的絕緣抵抗性、加速高速分解、降低Q值、及腐蝕導(dǎo)體。對(duì)應(yīng)于PCB上的的現(xiàn)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(xué)反應(yīng)引起的；還有離子遷移和枝晶增長(zhǎng)，枝晶生長(zhǎng)是電解過程，其中來自陽(yáng)極區(qū)域的金屬遷移到陰極區(qū)域。這種現(xiàn)象隨著電路板表面上存在水分和離子污染而加速，兩個(gè)電壓跡線具有不同的電壓電位。

圖3 電子保護(hù)的分層

如下圖所示，自動(dòng)駕駛的控制器上的器件設(shè)計(jì)越來越精密、體積越來越小、集成度越來越高，熱脹冷縮對(duì)器件的影響力是很大的，對(duì)應(yīng)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(yùn)行

電子元器件的設(shè)計(jì)趨勢(shì)越來越精細(xì)，規(guī)格也越做越小，因此對(duì)于三防漆的應(yīng)用也從以往的偏硬漸漸的轉(zhuǎn)向軟性三防漆（敷形涂料） 這里簡(jiǎn)單回顧以下，三防漆是一種特殊配方的涂料，用于保護(hù)電路板免受壞境的侵蝕。三防漆是應(yīng)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(huán)境的和機(jī)械的保護(hù)作用，從而顯著地延長(zhǎng)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(hù)透明保護(hù)膜，抵御外部化學(xué)物質(zhì)（燃料、冷卻劑等）、震動(dòng)、濕氣、鹽霧、潮濕的傷害。

敷形涂料可以保護(hù)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(duì)導(dǎo)體和焊點(diǎn)的腐蝕。它還能使導(dǎo)體間的金屬樹枝狀生長(zhǎng)和電遷移最小化。應(yīng)用敷形涂料還可以保護(hù)電路和元器件免受磨損和溶劑的影響。在對(duì)電路板的絕緣性起到保護(hù)作用的同時(shí)，還提供了應(yīng)力消除作用。

02

三防漆的材料

三防漆的化學(xué)成分常見的有三類：丙烯酸（AR），聚氨酯（UR）， 有機(jī)硅（SR）。不同類型產(chǎn)品是有差異的

1.丙烯酸（AR）：優(yōu)點(diǎn)是固化后堅(jiān)硬和強(qiáng)韌，易于干燥和固化（通常含溶劑），價(jià)格通常較低；缺點(diǎn)是耐熱溫度低（通常85 -125C），溶劑VOC 含量高，熱應(yīng)力大，不適用于惡劣工作環(huán)境。

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

3.有機(jī)硅（SR）：優(yōu)點(diǎn)是高耐溫（通常150-200 C），應(yīng)力低，低溫下柔韌，高介電強(qiáng)度，潤(rùn)濕性好；缺點(diǎn)是高膨脹系數(shù)，高透氣性，價(jià)格較高。 這里重點(diǎn)還是探討下有機(jī)硅類三防漆的材料，綜合來說，它突出的三大特質(zhì)使得長(zhǎng)遠(yuǎn)來看它更適合于汽車電子的應(yīng)用。

工作溫度范圍：有機(jī)硅適用溫度范圍更寬

可靠性：有機(jī)硅三防漆的長(zhǎng)期可靠性更好，應(yīng)力低

易于使用和返修: 有機(jī)硅相對(duì)更友好

圖5 核心溫度范圍的使用差異。

陶氏有機(jī)硅在有機(jī)硅材料領(lǐng)域居于世界領(lǐng)先地位，為全球25,000多家客戶提供7,000余種有機(jī)硅產(chǎn)品以及相關(guān)服務(wù)。Dow有機(jī)硅三防漆尤其在汽車等極其惡劣的工作環(huán)境中，對(duì)于保護(hù)電路，保持元器件和線路的低應(yīng)力環(huán)境非常有用。在線路板三防行業(yè)，業(yè)界對(duì)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(xué)性能優(yōu)異，以致風(fēng)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(yè)有近20多年的大量成熟應(yīng)用而享譽(yù)業(yè)界。還有UV濕氣雙固化的彈性體也已經(jīng)面世了，DOWSIL CC-8030。陶氏有機(jī)硅根據(jù)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(duì)比，如下圖所示，80oC/95%相對(duì)濕度條件下老化和測(cè)量，1-2577 有機(jī)硅與聚氨酯A/B 三防漆進(jìn)行對(duì)比，從絕緣阻抗來看有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖6 有機(jī)硅與聚氨酯材料對(duì)應(yīng)絕緣阻抗隨老化之后的對(duì)比

有機(jī)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(yōu)異的潤(rùn)濕特性，以及通過先進(jìn)的粘性增強(qiáng)劑得到的粘結(jié)特性，幫助實(shí)現(xiàn)無空隙粘結(jié)，從而進(jìn)一步提高整體可靠性。 由于彈性材料能幫助減小振動(dòng)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(duì)于使電子組件應(yīng)力最小化也很重要。對(duì)比長(zhǎng)期吸水率與介電失效來說，有機(jī)硅類對(duì)于水分和潮濕的抵抗作用效用更為明顯。

小結(jié)：三防漆對(duì)于可以有效保護(hù)汽車電子電路板免受壞境的侵蝕，對(duì)于延長(zhǎng)汽車使用壽命至關(guān)重要。隨著汽車電子元器件的設(shè)計(jì)趨勢(shì)越來越精細(xì)，規(guī)格也越做越小，因此對(duì)于三防漆的應(yīng)用也從以往的偏硬漸漸的轉(zhuǎn)向軟性三防漆（敷形涂料）。

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