Τα ηλεκτρονικά στα μεταφορικά μέσα, τόσο στα ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία (BEV) όσο και στα αυτόνομα οχήματα ρυθμίζουν σημαντικούς τομείς επί του οχήματος, όπως μονάδες ελέγχου κίνησης, συστήματα ασφαλείας, αισθητήρες εγγύτητας και ελεγκτές συνδεσιμότητας. Τα ηλεκτρονικά σε αυτούς τους ολοένα και πιο εξελιγμένους υπολογιστές είναι ευαίσθητα σε αστοχίες διάβρωσης από έκθεση σε νερό και αλάτι κατά τη λειτουργία του οχήματος που μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα απόδοσης, απώλεια λειτουργίας και δαπανηρές επισκευές.
Για την προστασία αυτών των ηλεκτρονικών συστημάτων, οι προμηθευτές ηλεκτρονικών μονάδων αυτοκινήτων χρησιμοποιούν συχνά υγρές κόλλες ή στεγανοποιητικά που σκληρύνουν στη θέση που τοποθετούνται και δημιουργούν φλάντζες. Οι κατασκευαστές των ηλεκτρονικών αυτών, ωστόσο, πρέπει να επιλέξουν μεταξύ μιας ποικιλίας τύπων υλικών και να καταλήξουν σε λύσεις υψηλής απόδοσης για τη συνεχή προστασία των κρίσιμων συστημάτων κατά τη διάρκεια πολλών ετών ζωής του οχήματος.
Εικόνα 1. Τα ηλεκτρονικά συστήματα των μεταφορικών μέσων προστατεύονται από μια ποικιλία συγκολλητικών σιλικόνης.
Κόλλες σιλικόνης για την προστασία των ηλεκτρονικών συστημάτων στα μεταφορικά μέσα
Οι σιλικόνες ξεχωρίζουν σταθερά ως κατηγορία υλικού επιλογής για τη διασφάλιση δια βίου προστασίας από περιβαλλοντικές καταπονήσεις, λόγω της χημικής σταθερότητας και της μηχανικής ευελιξίας τους που μειώνει τις καταπονήσεις (βλ. Εικόνα 1). Στον πυρήνα τους, οι σιλικόνες έχουν μια χημική σύνθεση δεσμών πυριτίου-οξυγόνου παρόμοιο με το γυαλί που τις καθιστά εγγενώς ανθεκτικές έναντι του σκληρού περιβαλλοντικού στρες, συμπεριλαμβανομένων των ακραίων θερμοκρασιών, της έκθεσης στην υπεριώδη ακτινοβολία, των κυκλικών αλλαγών στην υγρασία και της εμβάπτισης στο νερό.
Οι κόλλες και οι ρητίνες σιλικόνης παραμένουν ελαστικές και εύκαμπτες ακόμη και σε αυτές τις δύσκολες συνθήκες, ανακουφίζοντας τις διεπιφανειακές πιέσεις στις συγκολλητικές ενώσεις και επιτρέποντας μικρές κινήσεις των ενώσεων που αποτρέπουν την κόπωση των ενώσεων για χρόνια ή και δεκαετίες ζωής του ηλεκτρονικού εξαρτήματος. Επιπλέον, οι κόλλες σιλικόνης διαμορφώνονται για να απομακρύνουν τη θερμότητα από τις πλακέτες κυκλωμάτων μέσω της ενσωμάτωσης θερμικά αγώγιμων προσθέτων. Η συμπερίληψη ηλεκτρικά αγώγιμων προσθέτων παρέχει γείωση και ηλεκτρομαγνητική θωράκιση σε κρίσιμα συστήματα χωρίς να θυσιάζει τις βραχυπρόθεσμες ή μακροπρόθεσμες συγκολλητικές ιδιότητες.
Οι προηγμένες ηλεκτρονικές μονάδες ελέγχου χρησιμοποιούν γενικά κράματα αλουμινίου και ρητίνες για τα περιβλήματά τους και τα εξαρτήματα των συνδέσεων τους. Αυτά τα ανόμοια υποστρώματα πρέπει να στεγανοποιούνται μεταξύ τους για να αποτρέπεται η είσοδος υγρασίας και να προστατεύονται τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Οι ενώσεις συγκόλλησης πρέπει να είναι επαρκώς ανθεκτικές ώστε να αντέχουν επαναλαμβανόμενες μηχανικές και περιβαλλοντικές καταπονήσεις. Το Σχήμα 2 δείχνει ένα παράδειγμα μιας κόλλησης σε ηλεκτρονικό εξάρτημα με μια εύκαμπτη κόλλα σιλικόνης που κλείνει οποιαδήποτε δίοδο για διείσδυση νερού.
Εικόνα 2. Παράδειγμα κόλλας σιλικόνης σε ένωση ηλεκτρονικού εξαρτήματος μέσου μεταφοράς
Διαφορετικές χημείες πολυμερισμού κόλλας σιλικόνης για να ταιριάζει με τις ανάγκες παραγωγής
Οι κόλλες και τα στεγανοποιητικά σιλικόνης διαμορφώνονται με μια σειρά μηχανισμών πολυμερισμού για να ταιριάζουν με τις ανάγκες κατασκευής, εφοδιαστικής αλυσίδας και απόδοσης (βλ. Εικόνα 3). Οι κόλλες που πήζουν σε θερμοκρασία δωματίου (RTV), για παράδειγμα, σκληραίνουν με έκθεση στην υγρασία της ατμόσφαιρας. Η σκλήρυνση λαμβάνει χώρα καθώς οι υδρατμοί διαχέονται στο υλικό και οι ατμοί αλκοόλης εγκαταλείπουν το υλικό, μετά την αντίδραση συμπύκνωσης των alcoxy τμημάτων με νερό. Αυτός ο τύπος σκλήρυνσης έχει ως αποτέλεσμα εξαιρετική πρόσφυση σε μέταλλα, κράματα μετάλλων, γυαλιά και κεραμικά, καθώς και σε πολλά πλαστικά.
Εικόνα 3. Μηχανισμοί πολυμερισμού σε κόλλες σιλικόνης
Δεν απαιτείται πρόσθετος εξοπλισμός σκλήρυνσης για κόλλες RTV. Έτσι, παρέχουν ένα εξαιρετικό αποτύπωμα βιωσιμότητας με βάση τη χαμηλή χρήση ενέργειας. Οι χρόνοι σκλήρυνσης στις κόλλες σιλικόνης ενός συστατικοή που συνήθως είναι πάνω από 24 ώρες, μπορεί να παρουσιάσουν μια πρόκληση σε ορισμένες γραμμές παραγωγής, ιδίως εάν τα εξαρτήματα πρέπει να δοκιμαστούν, να χρησιμοποιηθούν ή να αποσταλούν αμέσως μετά τη συναρμολόγηση χωρίς η κόλλα σιλικόνης έχει πήξει επαρκώς. Κατά συνέπεια, μια καινοτόμος τάση από τους κατασκευαστές συγκολλητικών είναι να μειώνουν τους χρόνους σκλήρυνσης από ώρες ή ημέρες σε μόλις λεπτά. Ένας άλλος συνηθισμένος τρόπος πολυμερισμού με σιλικόνη στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι η σκλήρυνση με θερμότητα. Εδώ, η σκλήρυνση λαμβάνει χώρα σε φούρνο μεγάλου θαλάμου ή κλίβανο μεταφοράς, που συνήθως απαιτεί θερμοκρασία σύνδεσης 130-150°C. Η σκλήρυνση προχωρά μέσω αντιδράσεων platinum-catalyzed hydrosilylation. Μια τυπική κόλλα σιλικόνης που σκληραίνει με θερμότητα απαιτεί 30-60 λεπτά έκθεσης σε υψηλή θερμοκρασία για να σκληρυνθεί και να αποκτήσει αντοχή πρόσφυσης στα διάφορα υποστρώματα. Δεν υπάρχουν υποπροϊόντα από αυτήν την αντίδραση, και τα εξαρτήματα μπορούν να ελεγχθούν αμέσως, να μεταφερθούν και να αποσταλούν μετά την ψύξη.
Οι κόλλες θερμικής σκλήρυνσης προσκολλώνται σε ένα ευρύτερο φάσμα πλαστικών από τα προϊόντα που σκληραίνουν σε θερμοκρασία δωματίου λόγω της προστιθέμενης ενέργειας κατά τη θέρμανση. Ωστόσο, οι υψηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη σκλήρυνση μπορεί να είναι περιοριστικές για ορισμένες ευαίσθητες στη θερμοκρασία επιφάνειες ή ηλεκτρονικά εξαρτήματα της μονάδας. Ως αποτέλεσμα, τα καινοτόμα υλικά για αυτόν τον τύπο σκλήρυνσης έχουν σχεδιαστεί για να πολυμερίζονται ταχύτερα για να μειώνουν το χρόνο σε υψηλή θερμοκρασία και να δημιουργούν πρόσφυση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (π.χ. 80°C).
Η σκλήρυνση με υπεριώδη ακτινοβολία ή φωτοπολυμερισμό αποκτά επιπλέον ενδιαφέρον και εστίαση καθώς τα υβριδικά αυτά υλικά με βάση τη σιλικόνη συνδυάζουν σχεδόν στιγμιαία σκλήρυνση από φωτοσκληρυνόμενες ομάδες με την εγγενή σταθερότητα των σιλικονών. Αυτός ο τύπος πολυμερισμού είναι ελκυστικός λόγω της δυνατότητας cure on-demand από την έκθεση στο φως, τη χαμηλή χρήση ενέργειας και τις γρήγορες ταχύτητες—που απαιτούν μόνο δευτερόλεπτα. Ένα μειονέκτημα είναι ότι ο πολυμερισμός μπορεί να γίνει μόνο σε περιοχές ορατές στο φως. Για τον πλήρη πολυμερισμό των περιοχών που δεν εκτίθενται στο φως, προστίθεται ένας δεύτερος μηχανισμός σκλήρυνσης ο οποίος συνήθως χρειάζεται περισσότερο χρόνο.
Ένας τελικός τύπος μηχανισμού σκλήρυνσης είναι μια γρήγορη κόλλα θερμής τήξης σιλικόνης, όπου η σύνθεση είναι αρχικά στερεή σε θερμοκρασία δωματίου. Στη συνέχεια θερμαίνεται για να επιτρέψει τη ροή και εφαρμόζεται στο σημείο κόλλησης. Τα μέρη συναρμολογούνται πριν κρυώσει η κόλλα για να δώσουν στιγμιαία συγκολλητική δύναμη, που συνήθως αναφέρεται ως πράσινη αντοχή. Αυτή η μέθοδος εφαρμογής απαιτεί μια θερμαινόμενη μονάδα διανομής και προσεκτικό προγραμματισμό της ροής εργασιών για τη διασφάλιση της έγκαιρης συναρμολόγησης των προϊόντων μετά τη εφαρμογή της κόλλας. Αυτός ο τύπος θέρμανσης απαιτεί σημαντικά λιγότερη ενέργεια από αυτή που απαιτείται για τη θέρμανση ενός ολόκληρου φούρνου. Η κόλλα σιλικόνης δημιουργεί πρόσθετη αντοχή πρόσφυσης με δευτερεύουσα σκλήρυνση με την πάροδο του χρόνου μέσω του μηχανισμού σκλήρυνσης RTV που αναφέρθηκε προηγουμένως.
Επιλογή κόλλας και δοκιμή πάνω στην συγκεκριμένη εφαρμογή
H συνεργασία με τον κατασκευαστή των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων νωρίς στη φάση ανάπτυξης μιας ηλεκτρονικής μονάδας σχετικά με την επιλογή κόλλας μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τα ποσοστά επιτυχίας στις δοκιμές επικύρωσης και στην απόδοση της τελικής μονάδας. Για παράδειγμα, μικρές αλλαγές στο σχεδιασμό του πάχους της γραμμής σύνδεσης μιας συγκολλητικής ένωσης μπορούν να μειώσουν δραματικά την αναμενόμενη μηχανική καταπόνηση της κόλλας και της ένωσης, γεγονός που θα δώσει μεγαλύτερο χρόνο ζωής στο εξάρτημα.
Επιπλέον, ορισμένοι χημικοί τύποι κόλλας είναι πιο κατάλληλες για την ανθεκτική απόδοση της κόλλας, κάτι που μπορεί να μην είναι προφανές από τη βιβλιογραφία του προϊόντος. Ενώ τα φύλλα τεχνικών δεδομένων παρέχουν βασικές συγκρίσεις της απόδοσης του υλικού, οι αναφερόμενες τιμές δεν συσχετίζονται απαραίτητα με τη μακροχρόνια απόδοση. Η υπερβολική εξάρτηση από τις αναφερόμενες τιμές αντοχής πρόσφυσης ή διατμητικής αντοχής στα φύλλα δεδομένων, για παράδειγμα, μπορεί να οδηγήσει σε λάθος επιλογή κόλλας και ως αποτέλεσμα σε αστοχίες πρόσφυσης, εάν η ανθεκτικότητα της πρόσφυσης στα συγκεκριμένα υποστρώματα δεν αξιολογηθεί σωστά.
Η δοκιμή πρόσφυσης, λοιπόν, θα πρέπει να αντικατοπτρίζει τις πραγματικές καταπονήσεις που αντιμετωπίζει η κόλλα κατά τη διάρκεια ζωής της συσκευής, όπως χαμηλές αλλά σταθερές ή κυκλικές καταπονήσεις και αλλαγές στις περιβαλλοντικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, οι δοκιμές αντοχής πρόσφυσης (π.χ. η δοκιμή ρήξης σφήνας) που μιμούνται στενά τις πραγματικές συνθήκες της ένωσης είναι καλύτεροι προγνωστικοί δείκτες απόδοσης διάρκειας ζωής έναντι δοκιμών που βασίζονται αποκλειστικά στην αντοχή. Σε αντίθεση με τις δοκιμές διάτμησης ή αποφλοίωσης με βάση την αντοχή σε εργαστήριο, η δοκιμή αντοχής πρόσφυσης παρέχει πληροφορίες σχετικά με μια ένωση που υποβάλλεται σε σταθερή αλλά χαμηλή μηχανική καταπόνηση, μιμούμενη τις τάσεις που εμφανίζονται στο πεδίο. Σε συνδυασμό με τη σταθερή μηχανική καταπόνηση, τα δείγματα εκτίθενται επίσης σε περιβαλλοντικές συνθήκες γήρανσης όπως θερμικοί κύκλοι, βύθιση στο νερό και κύκλοι ψεκασμού αλατιού.
Το Σχήμα 4 δείχνει δείγματα ανθεκτικότητας σφήνας που ανοίχτηκαν μετά από 2.000 ώρες γήρανσης στις παρεχόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες. Συγκρίθηκαν τρεις κόλλες σιλικόνης. Και οι τρεις κόλλες δεν παρουσιάζουν αστοχίες στη δοκιμή υψηλής θερμότητας (150°C) ή στη δοκιμή θερμικού κύκλου (-40-125°C), υπογραμμίζοντας την εξαιρετική θερμική σταθερότητα των συγκολλητικών σιλικόνης. Ωστόσο, όταν εκτίθενται στις συνδυασμένες καταπονήσεις της μηχανικής καταπόνησης, της υψηλής θερμότητας και της υψηλής υγρασίας, οι κόλλες Α και Β παρουσιάζουν αστοχίες σε μόλις 250 ώρες έκθεσης στο περιβάλλον. Αυτές οι αστοχίες κόλλας θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια διαδρομή εισόδου νερού στις μονάδες, οδηγώντας σε διάβρωση των ηλεκτρονικών.
Σχήμα 4. Επιταχυνόμενη γήρανση αρμών αντοχής δοκιμής σφήνας.
Η κόλλα C δεν παρουσιάζει αστοχίες μετά από 2.000 ώρες γήρανσης υπό όλες τις συνθήκες. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η τιμή πρόσφυσης στο αλουμίνιο που παρέχεται στο φύλλο τεχνικών δεδομένων είναι η χαμηλότερη για την κόλλα C έναντι των άλλων κόλλων.
Για να καταδειχθεί η προγνωστική ικανότητα των δοκιμών αντοχής στην πραγματική απόδοση κατά την εφαρμογή, οι κόλλες A και C χρησιμοποιήθηκαν για να σφραγίσουν πλήρως συναρμολογημένες ηλεκτρονικές μονάδες ελέγχου που στη συνέχεια υποβλήθηκαν σε ψεκασμό αλατιού αυτοκινήτου για 40 και 60 ημέρες ακολουθώντας μια επιθετική μέθοδο OEM. Οι μονάδες απαιτούσαν σφράγιση ανάμεσα σε ένα σταμπωτό καπάκι από αλουμίνιο και ένα περίβλημα από χυτό αλουμίνιο. Τα βήματα του προτύπου περιλαμβάνουν:
- Τοποθετήστε το εξάρτημα στον προβλεπόμενο τελικό προσανατολισμό
- Μουλιάζουμε σε θάλαμο στους 70°C για 1 ώρα
- Ρύθμιση στους 35°C. ψεκάστε με διάλυμα άλατος 5% κατά βάρος για 1 ώρα
- Απενεργοποιήστε το σπρέι αλατιού. αφήστε τον θάλαμο να κρυώσει σε θερμοκρασία δωματίου για 1 ώρα
- Επαναλάβετε τα βήματα 2-3 τρεις φορές για συνολικά 9 ώρες
- 15 ώρες σε θερμοκρασία περιβάλλοντος χωρίς έλεγχο υγρασίας και χωρίς ψεκασμό αλατιού
- Η αλληλουχία 24 ωρών επαναλαμβάνεται για τον επιθυμητό αριθμό κύκλων
Μετά τη σφράγιση, όλες οι μονάδες που συναρμολογήθηκαν και με τις δύο κόλλες πέρασαν την αρχική δοκιμή διαρροής πίεσης αέρα πριν τοποθετηθούν στον κύκλο ψεκασμού αλατιού. Όπως φαίνεται στον Πίνακα 1, όλες οι μονάδες που σφραγίστηκαν με κόλλα Α απέτυχαν μετά από δοκιμή ψεκασμού αλατιού 40 και 60 ημερών, αλλά όλες οι μονάδες που σφραγίστηκαν με κόλλα C πέρασαν την επιθετική δοκιμή.
Οι τιμές του φύλλου τεχνικών δεδομένων για την αντοχή πρόσφυσης στο αλουμίνιο για την κόλλα A (560 psi) και την κόλλα C (335 psi) δεν προέβλεπαν την απόδοση κατά την εφαρμογή. Ωστόσο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4, η αξιολόγηση και των δύο συγκολλητικών χρησιμοποιώντας δείγματα ανθεκτικότητας σφήνας παλαιωμένα σε συνθήκες σχετικές με την εφαρμογή που περιελάμβαναν συνδυασμένες μηχανικές και περιβαλλοντικές καταπονήσεις συσχετίστηκε ισχυρά με την απόδοση των συγκολλητικών στο τελικό προϊόν.
Ειδικές απαιτήσεις ανά εφαρμογή
Μαζί με την επιλογή της κατάλληλης χημείας σκλήρυνσης και τη διεξαγωγή δοκιμών ανθεκτικότητας που σχετίζονται με την εφαρμογή, η συνεργασία με έναν προμηθευτή υλικού που κατανοεί τις απαιτήσεις εφαρμογής είναι ένα κρίσιμο βήμα προς την ταχεία εύρεση μιας αξιόπιστης λύσης και συναρμολόγησης κόλλας. Για παράδειγμα, μια ένωση κόλλας στην ηλεκτρονική μονάδα ενός πελάτη παρουσίαζε αστοχία που παρατηρήθηκε οπτικά μετά τη θερμική γήρανση. Η κόλλα αποκολλήθηκε από το πλαστικό καπάκι και σχιζόταν μερικώς κατά τη γήρανση.
Η εικόνα 5 παρέχει μια απλοποιημένη σχηματική απεικόνιση της ένωσης και της αιτίας της τάσης. Κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου, η διαστολή και η συστολή του πλαστικού καπακιού έχει ως αποτέλεσμα δυνάμεις τάσης και συμπίεσης στην κόλλα που οδηγούν τόσο σε αστοχία της κόλλας από το πλαστικό όσο και σε κάποια αστοχία συνοχής ή σχίσιμο της κόλλας. Οι τεχνικές συστάσεις για την αντιμετώπιση του προβλήματος περιλαμβάνουν:
- Αυξήστε το κενό για τη αρχική γραμμή της ένωσης για να μειώσετε την καταπόνηση της ένωσης
- Χρησιμοποιήστε μια πιο μαλακή και μεγαλύτερης επιμήκυνσης κόλλα για να μειώσετε την επιφανειακή πίεση στο πλαστικό καπάκι
- Αυξήστε την αντοχή πρόσφυσης στη συγκεκριμένη κατηγορία πλαστικού που χρησιμοποιείται για το καπάκι
- Αυξήστε τη συνεκτική δύναμη της κόλλας για να αποτρέψετε το σχίσιμο της συνοχής κάτω από καταπονήσεις
- Χρησιμοποιήστε μικρότερο μέγεθος καπακιού για να μειώσετε το συνολικό τέντωμα ή την καταπόνηση της ένωσης για να βελτιώσετε τη σταθερότητα
Ο σχεδιασμός της ένωσης της μονάδας, η επιλογή κόλλας, η επιλογή υποστρώματος και οι συνδυασμένες μηχανικές και περιβαλλοντικές καταπονήσεις στο πεδίο επηρεάζουν τη μακροζωία της προστατευτικής στεγανοποίησης σε ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα. Το ποσοστό επιτυχίας στην παραγωγή μονάδων που διαρκούν για την αναμενόμενη διάρκεια ζωής του οχήματος βελτιώνεται δραματικά κατά την επιλογή εγγενώς ανθεκτικών υλικών, την αντιστοίχιση της χημείας σκλήρυνσης στα σωστά υποστρώματα και την εστίαση σε στόχους απόδοσης για συγκεκριμένες εφαρμογές και όχι σε απλές τιμές τεχνικών δελτίων δεδομένων.
Εικόνα 5. Δυνάμεις που δρουν σε ένωση κόλλας και παραδείγματα τεχνικών λύσεων για την αντιμετώπιση αστοχίας.
Συνεργασία για την επιτυχία
Ο κλάδος των μεταφορικών μέσων υφίσταται δραματικές αλλαγές καθώς προχωρούν τα ηλεκτρικά οχήματα και η τεχνολογία αυτόνομης οδήγησης. Η συνεργασία με έναν κατασκευαστή κόλλας βοηθά στον καθορισμό των απαιτήσεων συγκολλητικού υλικού που επιτρέπουν στις καινοτομίες να ανταποκρίνονται στις δύσκολες απαιτήσεις απόδοσης και διάρκεια ζωής σε αυτές τις εφαρμογές.
Source: ASI Adhesives & Sealants Industry Magazine · January, 2021
(www.adhesivesmag.com)