Elektronik i svåra miljöer Utveckling av barriärer mot fukt, korrosion och extrema temperaturer - förstudie

Transkript

1 Elektronik i svåra miljöer Utveckling av barriärer mot fukt, korrosion och extrema temperaturer - förstudie SIO Smartare Elektroniksystem Lena Sjögren, Zsolt Toth-Pal, Margareta Nylén och Paul Janiak, lena.sjogren@swerea.se zsolt.toth-pal@swerea.se margareta.nylen@swerea.se paul.janiak@swerea.se

2 Bakgrund Elektronik etableras i snabbt ökande omfattning i svåra miljöer fukt, korrosiva gaser, höga temperaturer, temperaturväxlingar möjlighet att skydda avgör funktion och livslängd kompetensförsörjning och kunskapsöverföring mellan akademi, institut och industri av elektronikens miljöskydd för att öka svensk konkurrenskraft inom elektronik Typiska applikationsområden Kraftelektronik i fordon Kraftelektronik vid avgasreningsapplikationer Elektronik i radiobasstationer Kraftelektronik i vindkraftverk Rymd och djuphavsapplikationer

3 Syftet med förstudien är att Projektmål kartlägga industrins behov av nya, förbättrade barriärer för elektronikmoduler och subsystem, barriärer mot extrema temperaturer, fukt och korrosion, identifiera behov av utveckling av material och produkter (barriärer) och av designmetoder inom miljöskydd. Projektdeltagare: Industripartners: Alstom Power Sweden AB, Inmotion Technologies AB, Eskilstuna Elektronikpartner AB, Scania CV AB. Forskningsutförare: Swerea KIMAB, Acreo Swedish ICT, KTH IEE. Metodik Besök hos deltagande företag, intervjuer Illustration av utvalda exempel från företag Litteraturstudier och jämförelser med erfarenheter Modellering

4 Behov: användning av miljötålighetsstandarder Korrosivitetklassificering Klassificering av miljöns korrosiva egenskaper: ISO (utomhus, inomhus) baseras på korrosionshastigheter IEC baseras på miljödata, en standard dock på korrosionshastigheter Standarder för specifika produkttyper, i allmänhet baserat på miljödata Kravstandarder för komponenter Dimensioner, krav på ytskikt och uppträdande efter provning IEC, ASTM Primärt kvalitetsgradering, ej koppling mot miljöförhållanden Materialstandarder Grundkrav samt alternativ för skikttjocklekar t.ex. ISO, IEC, ASTM Ofta valbara kravnivåer Ingen direkt koppling till miljöförhållanden under användning

5 Konstruktionsalt. 1 Metod a Funktion, miljö, livslängd Komponent A Komponent B Komponent C Komponent D Metod b Metod c Metod d Konstruktionsalt. 2 Komponent E Metod e Komponent F Komponent G Metod f Korrosivitetskategori Produktstandard Kravstandard, komponent, material Provningsstandard

6 Behov : Studier av skyddsbeläggning för kretskort (conformal coating) Egenskaperna varierar mellan olika typer av beläggningar. Ytkontamineringen innan och vid ytbeläggningen, kontaminering under livslängden, känslighet för parasitimpedanser samt topp- och bottenmetallavstånd har pekats ut som huvudparametrar, inte beläggningstyp. Ytisolationsresistansen är den centrala utvärderingsparametern. Lödflussrester och fiberrester har identifierats som de farligaste ytföroreningarna. Exempel: viktiga styrparametrar för olika beläggningstyper, korrosionsutseende

7 Underlag för val av skyddsbeläggning God förståelse för kortytans typiska föroreningsmiljö, under skyddsbeläggningen och under hela livslängden krävs. Avsyning, mikroskopi och SEM-studier är viktiga för att karakterisera ytföroreningar som: Kvarvarande lödrester. Flussrester inklusive typ av fluss. Fiberrester (långa fibrer ger mycket lättar kortslutningar än). Organiska rester Andra ytföreningar, t.ex. vatten och metallpartiklar Kännedom om förhållanden som påverkar känsligheten för ytföroreningar krävs, t.ex: Spännings- och effektnivå. Mekaniska och termiska förhållanden under livslängden.

8 Olika korrosionsrespons i olika miljöer Olika skyddsbeläggningar har olika tålighet mot salter och mot sura ytföroreningar

9 Stor inverkan av olika typer av föroreningar

10 Behov: Design för höga temperaturer Exempel: DC-busskondensatorer för elfordon: DC-busskondensatorer är en central komponent för energilagring men är temperaturkänsliga. Man önskar en hög kvot kapacitans/spänning, lång livslängd och tillförlitlighet vid höga temperaturer. Temperaturegenskaperna skiljer mellan olika typer, keramiska och tantalkondensatorer has t.ex. bättre temperaturegenskaper än filmkondensatorer.

11 Behov: Modellering av termiska förhållanden Med multifysisk simulering är möjligt att identifiera strukturella, mekaniska, termiska och kemiska förändringar. Detta kräver en 2D eller 3D modell av elektroniksystemet. Modellering av ett inkapslat system kan ge information om elektromagnetiska egenskaper, överhörning, parasitströmmar och hur dessa påverkas av miljön (temperatur och tryck). Gratisprogram finns men kommersiella program kräver mindre eget arbete.

12 Identifierade nyttoområden Långsiktiga effekter av förbättrade barriärer och ökad kompetens om funktion och effekt innebär ökad möjligheten för användning av elektronik i svåra miljöer, längre produktlivslängd, ökad tillförlitlighet hos produkter, mindre elektronikavfall och förbättrad konkurrenskraft. Vidare perspektiv: Bistå industrin med karakterisering av korrosionsmiljö och val av skyddslösningar. Vidareutveckla miljökarakterisering och designmetodik för hårda miljöer.