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Die widerstandsfähigsten Schutzlacke für die rausten Umgebungen

EN FR IT Schlagwörter: Schutzlacke

Wie Schutzlacke Automobilherstellern helfen, langfristige Funktionsfähigkeit von Aggregaten zu erreichen

Einleitung

In einem typischen Auto sind elektronische Systeme heutzutage von entscheidender Bedeutung für die reibungslose und sichere Nutzung des Fahrzeugs. Noch bevor der Motor anläuft, hat die Elektronik das Auto bereits aufgesperrt. Sobald Sie den Motor starten und auf das Gaspedal treten, helfen Sensoren dabei, Sie aus der Parklücke zu lenken, Motorsteuergeräte stellen die Motorleistung ein, überwachen den Druck der Reifen, und Sicherheitssysteme werden in den Standby-Modus geschaltet. Während Sie losfahren, die Klimaanlage einstellen, sicherstellen, dass Ihr Handy mit dem Unterhaltungssystem verbunden ist, Ihr Ziel im Satellitennavigationssystem einstellen und Ihre Lieblingsmusik anmachen, erwachen noch mehr elektronische Systeme zum Leben.

Die Elektronik überwacht über das Heizung-, Lüftung- & Klimasystem (HLK) weiterhin die Innentemperatur. Sensoren und Steuerungssysteme erkennen Unfallsituationen, lösen Airbags und Seitenaufprallschutz aus und können die Rettungsbehörden automatisch über den Ort eines Unfalls informieren, sollte der Fahrer dazu nicht mehr in der Lage sein. Die Bremsen werden gesteuert, um gefährliche Situationen wie etwa blockierende Bremsen zu verhindern, und Automatikschaltung und Leitsysteme werden verwendet, um zu schalten, die Kraftstoffeffizienz zu maximieren, Emissionen zu überwachen und zu minimieren. Aktive Kollisionserkennungssysteme verwenden Kameras und Radarsysteme, um Fahrer auf drohende Situationen aufmerksam zu machen und Spurabweichungen zu verhindern.

Die Nutzung von Automobilelektronik wird sich weiter entwickeln, da die Verbraucher immer mehr Leistung, Sicherheit, Komfort, Bequemlichkeit und Unterhaltung von ihren Fahrzeugen verlangen. Es werden Systeme entwickelt, die noch mehr dazu beitragen werden, Unfälle zu vermeiden, die Fahrgäste zu schützen und zu unterhalten und die Umweltauswirkungen der Fahrt zu vermindern.

Der Wert der elektronischen Systeme in den heutigen Fahrzeugen macht in der Regel mehr als 20% des gesamten Fahrzeugwerts aus, und viele Schätzungen prognostizieren in den nächsten 5 Jahren eine Steigerung auf mehr als 35%. Mit der zunehmenden Annahme von Elektrofahrzeugen und der Entwicklung des Internets der Dinge, die ihren Höhepunkt darin gefunden hat, dass ein futuristisches fahrerloses Auto von Google in Kalifornien und BMW auf den bayrischen Straßen getestet wird, könnte die Zukunft für die Branche nicht unterschiedlicher aussehen als damals in den 1970er Jahren, als elektronische Einspritzsysteme erstmals in die reguläre Produktion eingeführt wurden.

Ein großer Teil der gesteigerten Automobilelektroniknutzung wurde ermöglicht durch die Entwicklung von noch leistungsstärkeren Steuerungselementen, Sensoren und Schaltern, sowie die Entwicklung von günstigen, verlässlichen Elektrosystemen, die Körper-, Komfort- und Sicherheitsanwendungen in den meisten modernen Automobilen zum Standard gemacht haben.

Niedrige Kosten, große Zuverlässigkeit

Angesichts zunehmendem Bedarf an Ausgereiftheit, Leistung und Verlässlichkeit werden mit neuen Fahrzeugen Garantien über 5 und sogar 7 Jahre ausgegeben, und die Notwendigkeit, Zuverlässigkeit zu einem annehmbaren Preis für neue Baugruppen sicherzustellen, ist eine der größten Herausforderungen, denen sich die Bauteilzulieferer gegenüber sehen. Elektronische Systeme sind immer breiter gefächerten Temperaturextremen, höheren Feuchtigkeitsgraden, Kondensation und noch mehr zersetzenden Gasen ausgesetzt. Mit dem Trend zu Elektrofahrzeugen, bei denen viel höhere Spannungen normal sind, wird ein immer größerer dielektrischer Schutz erforderlich, um eine ausreichend hohe Packungsdichte der Baugruppen zu ermöglichen und so Größen- und Gewichtsgrenzen einzuhalten. Die zunehmende Ausreifung der elektronischen Systeme bedeutet oft, dass sie empfindlicher gegenüber Kontamination und den Auswirkungen der externen Umgebung sind. Angesichts des zunehmenden Grads der Verschaltung der Systeme kann ein Ausfall in einem Aggregat eine Kettenreaktion bei anderen auslösen. Im Gegensatz zu Luftfahrtanwendungen, in denen es 2 oder 3 Stufen der Redundanz in einer Konstruktion geben kann, müssen Automobilkonstruktionen üblicherweise beim ersten Mal und jedes Mal während der ganzen Lebensdauer des Produkts funktionieren.

Schutzlacke zur Steigerung der Zuverlässigkeit.

Schutzlacke sind dünne, schützende Polymerschutzlacke, die oft verwendet werden, um den erforderlichen Umweltschutz ohne eine exzessive Kosten- oder Gewichtssteigerung zu erreichen. Anwendungen mit Schutzlacken werden üblicherweise als “Innenelektronik” (in der Fahrerkabine) oder “Elektronik im Motorraum” (in der Nähe des Motors) angesehen. Diese zwei unterschiedlichen Kategorien machen es leicht, die Hauptanforderungen beider zu diskutieren, aber natürlich verschmelzen die traditionellen Umgebungen mit zunehmender Ausgereiftheit und multiplen Funktionalitäten von Aggregaten weiter, und der Trend zu leistungsstärkerer Elektronik in Elektroautos lässt die Grenzen weiter verschwimmen.

“Innenraum”-Automobilelektronik

Elektronische Sensoren und Systeme in der Fahrerkabine befinden sich im Grunde genommen im gleichen Raum wie die Fahrzeuginsassen und sind daher größtenteils ähnlichen Umgebungen ausgesetzt. Im Winter kann das eine extreme Kälte und eine Tendenz zu einer Kondensationsatmosphäre bedeuten. Im Sommer geht die Tendenz zu einer warmen und feuchten Atmosphäre. Kondensation und hohe Luftfeuchtigkeit sind beide ein Risiko für die Zuverlässigkeit von Elektronik durch Förderung der Korrosion. Zusätzlich dazu kann die Elektronik Luftschadstoffen, Reinigungslösungen, verschütteten Flüssigkeiten usw. ausgesetzt sein. Jeder dieser Faktoren kann eine potentielle Gefahr für die Zuverlässigkeit sein, insbesondere in Verbindung mit Luftfeuchtigkeit und Kondensation.

Die Korrosion ist ein komplizierter elektrochemischer Prozess, mit einer Vielfalt potentieller Mechanismen und Ursachen, die weit über den Umfang dieses Artikels hinausgehen; in der großen Mehrzahl der Fälle gibt es jedoch 3 Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit eine Korrosion stattfindet.

  1. An sich elektrochemisch ungleiche Metalle (z.B. Gold/Silber und Nickel/Zinn), oder die Schaffung einer Anode und Kathode durch Anwendung eines angelegten Bias.
  2. Die Gegenwart einer Ionenart (üblicherweise Salze, Halogenide, Hydroxide usw.).
  3. Die Gegenwart von Monoschichten von Kondenswasser zur Auflösung der Ionen, so dass eine Elektrolytlösung entsteht.

Um die Möglichkeit der Korrosion zu verhindern, ist es erforderlich, eine der Voraussetzungen zu beseitigen.

Die Wahl der Metalle ist beschränkt auf die in der Löt- und Lötoberflächenchemie verwendeten, die ungleich sind, und es wird aufgrund der Art eines elektronischen Aggregats immer Bereiche potentieller Unterschiede geben. Durch eine Reinigung können ionische Verunreinigungen entfernt werden, aber es kann eine erneute Ablagerung von ionischen Verunreinigungen aus der Betriebsumgebung nicht verhindern.

Schutzlacke helfen, die Bildung von Elektrolytlösungen zu verhindern, indem sie als Feuchtigkeitsbarrieren agieren. Der Schutzlack muss eine gute Barriere gegen Feuchtigkeit bilden und gut am Trägermaterial haften, um eine Ablösung zu verhindern. Sobald sich der Schutzlack abgelöst hat, kann sich Feuchtigkeit letztendlich in dieser „Tasche“ sammeln und mit einer bereits bestehenden ionischen Kontamination eine Elektrolytlösung bilden. Dies ist der Grund, warum üblicherweise eine Reinigung vor dem Auftragen der Schutzlacke empfohlen wird, um eine starke synergetische Entfernung von zwei der drei Vorbedingungen für eine Korrosion zu erzielen.

Angesichts der relativ gutartigen Betriebsumgebungen, die “Innenraum”-Elektrotechnik genießt, haben Acrylschutzlacke dieses Segment historisch dominiert; sie bieten umfassend gute Eigenschaften, besonders gegen hohe Luftfeuchtigkeit, Verschüttetes und Spritzer.

„Motorraum“-Elektronik

Die Hauptunterschiede zwischen den Anforderungen zum Schutz von Motorraumelektronik und Innenraumelektronik sind in der Platzierung der ersteren begründet. Das Umfeld kann viel weniger gesteuert werden, mit höheren Maximalbetriebstemperaturen und viel mehr Gelegenheiten zur Kontamination durch Kraftstoffe, Öle, Reinigungsflüssigkeiten, Schadgase, Metallpartikel und Salzwassermatsch, der beim Fahren auf gestreuten Straßen hochspritzt, usw.

Kurz gesagt müssen elektronische Aggregate im Motorraum und andere sich nicht im Innenraum befindliche elektronische Aggregate bei viel härteren Umgebungsbedingungen Schutz bieten.

Die nächste Generation von Schutzlacken

Um diesen Herausforderungen gewachsen zu sein, ist eine neue Art der Schutzlacke erforderlich. Diese Schutzlacke müssen extrem resistent gegen eine nasse Umgebung sein, chemikalienresistent, sehr flexibel, um thermische Schockbeanspruchungen zu überstehen, und temperaturresistent, um die höheren Betriebstemperaturen zu überstehen.

Um diesen Herausforderungen gerecht zu werden, hat Electrolube eine neue Reihe hoch strapazierfähiger, lösungsmittelfreier Schutzlacke aus modifiziertem Polyurethan entwickelt, die dafür gedacht sind, mit einer größeren Dicke als die üblichen Schutzlacke aufgetragen zu werden und innerhalb von 10 Minuten bei 80°C auszuhärten, wobei thermisch härtende Öfen verwendet werden, die auch oft in Verfahren auf Lösungsmittelbasis verwendet werden.

Kondensation / Resistenz gegen flüssiges Wasser

„Scharfkantenabdeckung“, die Fähigkeit, Geräteanschlüsse, Lötstellen und andere Metalloberflächen vollständig und zuverlässig abzudecken, um sie vor Korrosion zu schützen, ist ein seit langem bestehendes, sehr bekanntes Problem, das vor kurzem durch die IPC5-22ARR J-STD-001/Beurteilung der Branche für Schutzlackmaterialien & ihre Anwendung hervorgehoben wurde.

Zur Demonstration der Wichtigkeit der Kantenabdeckung und des Schutzes vor flüssigem Wasser in Form von Kondensation arbeitet das National Physical Laboratory (NPL), Vereinigtes Königreich, gegenwärtig an der Entwicklung eines kontrollierten Kondensationstests. Es hat gezeigt, dass bei 40°C und 93% relative Luftfeuchtigkeit ein Temperaturunterschied von nur 1,5°C zur Bildung von ausreichend Feuchtigkeit führt, um die Oberflächenisolierungsresistenz eines Kupferabschnitts von TΩ auf 1MΩ (Nachweisgrenze) zu senken.

  • Abb. 2. Vergleich der Kondensationsresistenz verschiedener Schutzlacke, Daten freundlicherweise von NPL zur Verfügung gestellt

Die Daten zeigen eindeutig einen wesentlichen Abfall des SIR-Werts einer unbeschichteten Baugruppe, begrenzten Schutz sowohl der Nano-Beschichtung als auch des einschichtigen Acryls, verbesserten Schutz des doppelt beschichteten Acryls, während die beiden neuen Urethanmaterialien verbesserten Schutz bieten und insbesondere UR3 hervorragende Schutzeigenschaften gegen Kondenswasser zeigt.

Dies kann zum Teil durch die Dicke und Abdeckung erklärt werden, auch wenn die spezielle Chemie der Formel ebenfalls eine wesentliche Rolle spielt, wie der wesentliche Unterschied der Leistung zwischen UR4 und UR3 zeigt, obwohl die aufgetragene Dicke (c. 150µm) ähnlich war, wie in Abb. 3 unten gezeigt.

  • Abb. 3. Querschnitt von 3 Oz beschichteten Abschnitten zur Demonstration der Wichtigkeit der aufgetragenen Dicke und Abdeckung für die Kondensationsresistenz.

Thermalschockresistenz

  • Abb. 4. Electrolube-Testleiterplatte zur Beurteilung der Leistung des Schutzlacks

Automobilelektronik muss üblicherweise zwischen -40°C und 125°C funktionieren, mit schnellen Übergängen zwischen den Temperaturextremen. Die in Abb. 4 gezeigte Electrolube SIR-Testleiterplatte wurde mit mehreren Bauteilen in einer schwierigen Konfiguration dafür konstruiert, eine echte Produktbaugruppe besser zu simulieren. Die Testleiterplatte wurden getrennt mit den Polyurethanen UR3 und UR4 mit einer Zieldicke von 250 µm beschichtet und 1000 Luft-zu-Luft-Thermalschockzyklen mit den obig angegebenen Temperaturextremen unterzogen, mit einer Geschwindigkeit der Temperaturänderungen von über 40°C / min.

Diese Abschnitte wurden visuell bei 20-facher Vergrößerung auf Nachweise von Rissbildung, Abblättern und Schäden an Lötstellen oder Bauteilen untersucht. Nach 1000 Zyklen zeigte UR3 ein paar Zeichen von Rissbildung und Farbveränderung, es waren jedoch keine Metalloberflächen offengelegt, und es hatte sich nicht auf die Oberfläche des Bords ausgebreitet; UR4 zeigte dagegen fast keine Veränderung im Erscheinungsbild.

Salznebelresistenz

Um den Schutz unter Salznebelbedingungen zu beurteilen, was die Fahrbedingungen im Winter simulieren soll, wurden die in Abb. 4 gezeigten Testleiterplatten, die vorher den 1000 Thermalschockzyklen unterzogen worden waren, einem 196 Stunden langen Salznebeltest (5% NaCl-Lösung) unterzogen. Die Testleiterplatten wurden während der Laufzeit des Tests kontinuierlich mit 50V betrieben, und die Isolationsresistenz wurde während des Tests in regelmäßigen Abständen gemessen.

Wie nachfolgend in Abbildung 5 zu sehen ist, zeigten beide Materialien eine gute Leistung und boten ausgezeichneten Schutz gegen ein Salznebelumfeld, obwohl UR3 insgesamt einen höheren Grad der Isolationsresistenz zeigte, was mit den Ergebnissen des Kondensationstests des NPL übereinstimmt.

  • Abb. 5 – Isolationsresistenz von Polyurethan-Materialien unter Salznebelbedingungen mit kontinuierlich anligender 50V-Bias-Spannung.

Fazit

Um die Forderungen der Automobilindustrie nach größerer Zuverlässigkeit der Elektronik unter immer härteren Bedingungen zu erfüllen, hat Electrolube eine Serie von lösungsmittelfreien, leistungsstärkeren Schutzlacken entwickelt. Diese Schutzlacke wurden zur Auftragung in größerer Dicke entwickelt, um häufige Anwendungsdefekte zu überwinden und die Abdeckung der scharfen Kanten zu verbessern.

Hinsichtlich der Resistenz gegen Thermalschocks, Kondensation und Salznebelumgebungen im Vergleich zu traditionellen Schutzlacken, ultradünnen Beschichtungen oder sogar UV-härtenden Materialien ist gezeigt worden, dass diese Materialien deutliche Leistungsverbesserungen bei Modell-PCB-Testaggregaten bieten.

Autor: Phil Kinner,
Leiter der Abteilung für Schutzlacke, Electrolube