A közelmúltban világossá vált, hogy a SAC305 nem univerzálisan alkalmas az összes autóipari alkalmazásban és ez az ötvözetek (i) költségcsökkentési és (ii) megbízhatóság növelési irányokba történő továbbfejlesztésére sarkallt.
Forraszötvözet választása autóipari felhasználáshoz
Sokféle szempontot kell megfontolni az elektronika gyártójának, hogy folyamatához ólommentes ötvözetet válasszon. A fogyasztói elektronikai ipar jelentős tudást és szakértelmet halmozott fel a kötelező ólommentes-átállás révén. Ezt az anyagtudomány és a gyártóberendezések tervezésének gyors fejlődése támogatta.
A fogyasztói elektronika igényei okánlezajlott forraszanyag-fejlesztés többségében a folyamatok teljesítményének növelésére és gazdaságossági szempontokra koncentrált. Ezen fejlesztéseket általában nagy sorozatú gyártásban készülő, olcsó termékek igényeihez alakították, amelyek beleestek az EU RoHS-előírás hatáskörébe. Ilyen olcsó ötvözetek jelennek meg napjainkban már a kevéssé kritikus autóipari alkalmazásokban, tipikusan olyan részegységekben, amelyek az utastérben helyezkednek el. Jellemző példa a szórakoztató- és kommunikációs modulok sora, amelyekben ezen anyagok megfelelnek a megbízhatósági követelményeknek- és költséghatékonyak is egyszerre.
Mindemellett számos autóipari elektronikai modul zord környezetben működik a motortérben, és működése biztonsági szempontból is kritikus. A tervezési korlátok és a kábelezés mennyiségének csökkentésére irányuló igény az elektronikai egységeket a beavatkozás helyéhez közelebb kényszerítik és ezáltal a működési hőmérséklet-tartományuk szükségszerűen szélsőségesebb lesz.
A motortér zord körülményei közötti magas megbízhatóság követelményét a „szabványos" ón-ezüst-réz (SAC) ötvözetek 120 °C feletti működési hőmérsékleten nem teljesítik. Ez a felismerés vezetett egy ellenállóbb ötvözetcsoport kifejlesztéséhez, amely (i) ólommentes, (ii) tömeggyártásra gazdasági szempontból alkalmas és (iii) magas hőmérsékleten és vibráció mellett is megbízható elektromos és mechanikai kötést képes létesíteni, ezzel az összehasonlítási alapul szolgáló, elfogadott SAC-ötvözetek tulajdonságait felülmúlja.
Tervezési és gyártási korlátok és szempontok
Az autóipari elektronikus áramkörök általában a többi szektorban is használt alkatrészekből építkeznek, de sokkal keményebb működési körülményekkel szembesülnek, ezért lényeges, hogy a tervezés és gyártás megbízható terméket eredményezzen, és megelőzze az elszabaduló garanciális költségek által kiváltott gazdasági Armageddont. A következőket kell figyelembe venni:
- Mechanikai ellenálló képesség.
- Elektrokémiai megbízhatóság.
- Gyártóképességi elvárások.
- Meghibásodási költségek és folyamatköltségek egyenlege.
Mindezeket egyenként számba véve:
Mechanikai ellenálló képesség. Nem lehet egységes mechanikai megbízhatósági teszteket definiálni az autóipari felhasználásra, mivel a működési körülmények rendszerről rendszerre nagyon eltérőek. Például egy motorvezérlő egység sokkal durvább környezetben működik, mint egy utastérben működő audiorendszer. A detektor, és környezetiszenzor rendszerek számára olyan forraszanyag szükséges, amely elegendő szilárdságot és folyási ellenállást ad az egység által tapasztalt hőmérsékleti és vibrációs hatások túléléséhez. Ez azt is feltételezi, hogy a forraszötvözetet alaposan letesztelték csakúgy, mint a forrasztási felületeket, hogy megfeleljenek a kritériumoknak. Különlegesen fontos ez kisméretű, alsó csatlakozású, kivezetőlábak nélküli alkatrészek esetén.
Elektrokémiai megbízhatóság. Az anyagválasztás és a folyamat-paraméterek meghatározó jelentőségűek megbízható autóipari modulok építéséhez. A két legnagyobb tényező, amely az egyre jobban miniatürizált elektronikai modulok elektrokémiai megbízhatóságának kérdését előtérbe helyezik: (i) a csökkenő távolság a vezetőpályák között szükségessé teszi, hogy a folyasztószerekből vagy panelgyártási vegyszerekből visszamaradó maradványok semleges viselkedésűek legyenek és (ii) a kritikus és váltakozó klimatikus feltételek, amelyek között a moduloknak működniük kell. Amíg nincs egyetlen teszt, amely ezen alkalmazásokhoz az anyagokat értékelni tudná, addig széles skálája létezik az SIR (felületi szigetelési ellenállás), elektromigrációs és korróziós teszteknek, melyek kombinálásával erősen valószínűsíthető az anyagok megfelelése. Különösen a részlegesen hőhatásnak kitett, vagy hőhatás nélkül visszamaradó alacsony szárazanyag-tartalmú, folyékony folyasztószerek maradványainak veszélyeire kell figyelnünk.
Gyártóképességi elvárások. Jelentős mennyiségű miniatürizálási tapasztalat áll rendelkezésre a hordozható eszközök szegmensében, de az autóipari alkalmazásokban ez viszonylag új élmény. A folyamatok gyártóképessége több oldalról is közvetlenül befolyásolja a késztermékek megbízhatóságát. Először is szükség van egy stabil és konzisztens forraszpaszta-nyomtatási folyamatra, annak biztosítására, hogy a forraszkötés térfogata fenntartható legyen az olyan kritikusan kis lábnyomú alkatrészeken is, mint a kamerák, vagy aktív és passzív alkatrészek. A forraszpaszta összetétele és a stenciltervezési know-how együtt kulcsfontosságúak az ismételhető nyomtatási eredményhez. A nyomtatás mellett kiemelt figyelmet érdemelnek a termikus folyamatok, annak biztosítására, hogy a kötés kialakulása és a jelen levő folyasztószer megfelelő aktiválása megtörténjen. Ez a legkritikusabb folyékony folyasztószerek használatánál hullám- és szelektív forrasztásban, amelyeket jellemzően csatlakozók forrasztására használnak.
Meghibásodási költségek és folyamatköltségek egyenlege. Teljes tulajdonlási költség: az 1-es szintű autóipari beszállítókon folyamatos a nyomás az állandó költségcsökkentés céljából. Ugyanakkor széles körben ismert tény, hogy a felhasznált anyagok kiválasztása jelentheti a különbséget azon termékek között, amelyek túlélik a garanciális időszakot és azok között, melyek nem. A szerelési anyagok nagyságrendileg 1% körüli részarányt képviselnek az anyagköltségből a szokványos autóipari elektronikai szerelvényekben. Ennek tükrében némileg meglepő, hogy néha az ötvözet és egyéb anyagok választásakor a gyártók kompromisszumokra hajlanak. A termék működés közbeni meghibásodásának költsége, a visszahívás teljes költsége és a cseretermék költsége értelemszerűen több mint 100%-a az eredeti anyagköltségnek.
Összefoglalás
Az autóipari elektronikai modulok széles tárházát mutatják az anyagválasztással kapcsolatos kihívásoknak. Az egyik legfontosabb szempont a várható megbízhatóság kérdése a modul működési körülményei között. Az ötvözetek és vegyi összetevők gondos megválasztása a gazdasági előnyök széles skáláját nyújthatja csakúgy, mint ahogy a rosszul megválasztott anyagok gazdasági hátrányokat eredményezhetnek, ha meghibásodások erednek belőlük.
