Autore: Phil Kinner, Direttore reparto Rivestimenti Protettivi, Electrolube

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1 I rivestimenti protettivi più resistenti per gli ambienti più difficili: come i rivestimenti protettivi aiutano le case automobilistiche a raggiungere un affidabilità a lungo termine dei prodotti finiti. Autore: Phil Kinner, Direttore reparto Rivestimenti Protettivi, Electrolube Introduzione In una qualsiasi automobile di oggi, i sistemi elettrici sono di cruciale importanza per un funzionamento sicuro e privo di problemi del veicolo. Prima ancora che il motore venga avviato, i circuiti elettrici hanno già sbloccato la macchina. Una volta avviato il motore e aver premuto l acceleratore, i sensori assistono l uscita dal parcheggio, le unità di controllo del motore (ECU) mettono a punto la prestazione della forza motrice e controllano la pressione delle gomme, mentre i sistemi di sicurezza vengono attivati in modalità standby. Durante l uscita dal parcheggio il conducente regola l aria condizionata, si accerta che il cellulare sia connesso al sistema stereo e video, imposta la destinazione sul sistema di navigazione satellitare e mette la sua musica preferita, attivando sempre più sistemi elettronici. Questi continuano a gestire la temperatura interna con il sistema di riscaldamento, ventilazione e climatizzazione (HVAC). I sensori e i sistemi di controllo rilevano gli attimi di un impatto, rilasciano l airbag e le protezioni laterali e sono in grado di avvertire i soccorsi informandoli sul luogo dell incidente se il conducente non è in condizioni di farlo. La frenata viene controllata per evitare situazioni pericolose, come un blocco imprevisto dei freni, mentre la trasmissione automatica e i sistemi di gestione vengono impiegati per cambiare le marce, ottimizzare l uso del carburante, monitorare e ridurre al minimo le emissioni. I sistemi attivi di rilevamento degli impatti utilizzano videocamere e unità radar per avvertire i conducenti di imminenti situazioni di pericolo ed evitare uscite di carreggiata. L uso di componenti elettronici nell industria automobilistica continuerà a svilupparsi ancora di più con l aumento delle richieste di maggiori prestazioni, sicurezza, vantaggi e intrattenimento sui veicoli da parte dei clienti. I sistemi vengono perfezionati sempre di più per evitare incidenti, proteggere e divertire i passeggeri e ridurre gli effetti sull ambiente causati dai mezzi di trasporto. Il valore dei sistemi elettrici nei veicoli odierni supera di gran lunga il 20% del valore totale della struttura e molti stimano che questo valore arriverà oltre il 35% nei prossimi 5 anni. Grazie a un utilizzo sempre più diffuso delle auto elettriche e allo sviluppo dell Internet per le cose, che ha portato all ideazione di veicoli futuristici senza conducente attualmente testati da Google in California e da BMW in Baviera, ben presto il futuro del settore potrebbe essere molto diverso dallo scenario degli anni 70, quando venne introdotto per la prima volta il sistema ad iniezione elettronica nella produzione di massa. Una buona parte dell aumento dell uso di componenti elettroniche nel settore automobilistico è stato consentito dallo sviluppo di comandi, sensori e interruttori ancora più potenti, nonché dallo sviluppo di sistemi a basso costo, ma dall elevata affidabilità che hanno reso i dispositivi per il corpo, il comfort e la sicurezza elementi standard nelle automobili moderne.

2 Basso costo, elevata affidabilità Con l aumento delle richieste di maggiore perfezione, prestazione e affidabilità, vengono rilasciate garanzie da 5 e addirittura 7 anni per i veicoli di nuova generazione. Una delle sfide più grandi che i fornitori di componenti devono affrontare è quella di assicurare affidabilità a prezzi di progettazione ragionevoli per i nuovi schemi. I sistemi elettronici vengono esposti a condizioni sempre più dure: temperature estreme, livelli di umidità e condensa elevatissimi e gas sempre più corrosivi. Con la tendenza verso l utilizzo di veicoli elettrici, nei quali livelli elevati di voltaggio sono diventati uno standard, si è resa necessaria una maggiore protezione dielettrica per permettere agli schemi di avere una densità sufficiente a soddisfare i limiti di dimensione e peso. La complessità sempre più elevata dei sistemi elettrici comporta spesso una maggiore sensibilità alle contaminazioni e agli agenti atmosferici. Per via dell aumento dei livelli di interconnessione fra i sistemi, un qualsiasi guasto può avere un effetto domino sugli altri sistemi. Diversamente dai sistemi aerospaziali, nei quali sono possono essere presenti fino a 2 o 3 strati di ridondanza, gli schemi automobilistici devono funzionare immediatamente, al primo tentativo e per tutta la durata di vita del prodotto. Rivestimenti protettivi per aumentare l affidabilità. I rivestimenti protettivi sono sottili strati polimerici di agenti tropizzanti, impiegati spesso per assicurare protezione ambientale, senza eccessivi aumenti in termini di costo o peso. I dispositivi che necessitano di rivestimento protettivo sono generalmente componenti elettronici in cabina (collocati all interno dell abitacolo passeggeri) oppure nel vano motore (accanto al motore). Queste due diverse categorie richiedono un approfondimento riguardante le esigenze della singola tipologia, ma naturalmente non va dimenticato che l aumento della complessità e della funzionalità multipla dei prodotti comporta una sorta di fusione fra le aree dei veicoli e la spinta verso componenti elettronici, con prestazioni più elevate nelle auto elettriche, fa dissolvere sempre più le linee di demarcazione. Unità elettroniche in cabina I sensori e i sistemi elettronici collocati nell abitacolo occupano essenzialmente lo stesso spazio utilizzato dai passeggeri e sono per questo esposti ad agenti molto simili. In inverno ciò può significare freddo estremo e un atmosfera tendente alla condensazione. In estate, invece, l atmosfera tende a essere calda e umida. La condensa e l elevata umidità rappresentano entrambe un rischio in termini di affidabilità dei sistemi elettronici, perché favoriscono la formazione della corrosione. Oltre a questi fattori, i sistemi elettrici possono essere esposti a inquinanti atmosferici, soluzioni detergenti, getti di liquidi di varia natura, ecc. Uno qualsiasi di questi elementi può costituire un potenziale rischio per l affidabilità, soprattutto se combinati a fattori quali umidità e condensa.

3 La corrosione è un processo elettrochimico complesso, con un abbondanza di meccanismi e cause potenziali, che vanno ben al di là dello scopo del presente articolo. Tuttavia ricordiamo che, nella stragrande maggioranza dei casi, devono essere soddisfatte 3 condizioni principali affinché la corrosione possa aver luogo. 1. Presenza di metalli diversi dal punto di vista intrinseco ed elettrochimico (ad es. oro/argento e nichel/stagno) o creazione di anodi e catodi mediante l applicazione di polarizzazioni. 2. Presenza di specie ioniche (generalmente sali, alogenuri, idrossidi, ecc.). 3. Presenza di monostrati di acqua condensata per dissolvere le specie ioniche, che ha come esito una soluzione elettrolitica. Al fine di evitare la possibilità di formazione della corrosione, è necessario eliminare una delle condizioni necessarie. La scelta dei metalli è limitata alle proprietà chimiche previste per la saldatura e le rifiniture di saldatura. Tali proprietà rimangono tuttavia dissimili, ragione per la quale saranno sempre presenti aree di potenziale differenza dovute alla natura di un assemblaggio elettrico. La pulizia può essere di ausilio nella rimozione di specie ioniche, ma non può evitare un nuovo deposito di tali specie ioniche dovuto all ambiente operativo. I rivestimenti protettivi possono invece aiutare a evitare la formazione di soluzioni elettrolitiche, agendo da barriere anti umidità. Al fine di evitare la delaminazione, il rivestimento protettivo deve presentarsi come un ottima barriera anti umidità e deve avere una buona aderenza al sostrato. Nel caso in cui il rivestimento venga delaminato, l umidità può raccogliersi nelle sue sacche e formare una soluzione elettrolitica insieme alle contaminazioni ioniche già presenti. Questa è la ragione principale per la quale è consigliata la pulizia prima dell applicazione del rivestimento protettivo al fine di assicurare un efficace eliminazione sinergistica di due dei tre fattori necessari alla formazione della corrosione. Dati gli ambienti operativi relativamente favorevoli ai quali sono esposti i componenti elettronici in cabina, i rivestimenti protettivi acrilici hanno storicamente dominato

4 questo segmento, offrendo buone caratteristiche efficaci a 360 gradi contro umidità elevata, getti e schizzi di liquidi. Componenti elettronici nel vano motore Le principali differenze fra i requisiti necessari per la protezione dei componenti elettronici nel vano motore e quelli in cabina risiedono soprattutto nella collocazione dei primi. L ambiente è molto più difficile da controllare, le temperature massime di funzionamento sono più elevate e vi è una maggiore possibilità di contaminazione dovuta a carburanti, oli, detergenti, gas corrosivi, particolati di metallo, schizzi di acqua salata dovuti agli interventi degli spargisale sulle strade, ecc. In breve, i componenti elettrici nel vano motore e gli altri dispositivi elettronici esterni all abitacolo necessitano di maggiore protezione a causa di condizioni ambientali più difficili. La futura generazione di rivestimenti protettivi Al fine di poter affrontare queste sfide, sono necessari nuovi tipi di rivestimenti protettivi. Questi devono essere estremamente resistenti alle condizioni di umidità, forti dal punto di vista chimico, altamente flessibili per superare indenni gli shock causati dalle escursioni termiche e sufficientemente robusti per sopravvivere a temperature operative ancora più elevate. Per far fronte a situazioni simili, Electrolube ha sviluppato una gamma di rivestimenti protettivi in poliuretano modificato, altamente duraturi e privi di solventi, progettati per essere applicati con uno spessore maggiore rispetto ai rivestimenti convenzionali e vulcanizzati con un trattamento di 10 minuti a 80 C, sfruttando i forni di vulcanizzazione spesso utilizzati nei processi a base di solventi. Resistenza alla condensa e all acqua allo stato liquido La copertura di spigoli vivi, vale a dire la capacità di coprire completamente e in maniera affidabile dispositivi, linee di saldatura e altre superfici metalliche, affinché non vengano esposti ad agenti corrosivi, è un problema noto da molto tempo, evidenziato di recente dalla valutazione sullo stato del settore sulle applicazioni e i materiali di rivestimento protettivi / IPC5-22ARR J-STD-001. Per dimostrare l importanza della copertura degli spigoli e della protezione dall acqua allo stato liquido, sotto forma di condensa, il Laboratorio Nazionale di Fisica (NPL) del Regno Unito sta lavorando allo sviluppo di un test di condensa controllato. Gli esperti hanno dimostrato che a una temperatura di 40 C e un umidità relativa del 93%, un differenziale di temperatura di appena 1,5 C può portare alla formazione di un umidità sufficiente a ridurre la resistenza all isolamento superficiale di una piastra di rame da TΩ a 1MΩ (soglia di rilevamento).

5 Fig. 2 Confronto di resistenza alla condensa di diversi rivestimenti, per gentile concessione del NPL I dati mostrano chiaramente un importante calo del valore SIR di un prodotto non rivestito, una protezione limitata sia da parte del rivestimento Nano che dall acrilico a rivestimento singolo, una protezione migliorata da parte dell acrilico a rivestimento doppio, dove entrambi i due nuovi materiali in uretano hanno dato una migliore protezione, mentre l UR3 dimostra proprietà protettive straordinarie contro l acqua di condensa. Ciò può essere spiegato in parte dallo spessore e dalla copertura, sebbene anche la particolare composizione chimica giochi un ruolo rilevante, come illustrato dall importante differenza fra l UR4 e l UR3, anche se gli spessori applicati (ca. 150µm) sono simili, come indicato di seguito nella fig. 3.

6 Fig. 3 Sezione trasversale di piastre di rame da ca. 85 g., che dimostra l importanza dello spessore applicato e della copertura nella resistenza alla condensa. Resistenza allo shock termico Le unità elettroniche del settore automobilistico devono generalmente essere in grado di funzionare a temperature comprese fra i -40 C e i 125 C, con rapide transizioni fra gli estremi delle temperature. La piastra di Electrolube sottoposta al SIR test mostrata nella fig. 4 contiene molti componenti, disposti volutamente in una configurazione difficile per simulare al meglio l assemblaggio dei prodotti. Le piastrine sono state rivestite selettivamente di poliuretani UR3 e UR4 con uno spessore finale di 250µm ed esposte a 1000 cicli di shock termici aria-ad-aria, ai picchi di temperatura sopra indicati, con cambi di temperatura in eccesso di 40 C / min. Fig. 4 Piastra di prova Electrolube per la valutazione della prestazione del rivestimento protettivo Queste piastrine sono state ispezionate visivamente a un ingrandimento di 20 volte alla ricerca di fessurazioni, delaminazioni e danni alle linee di saldatura o ai componenti. Dopo 1000 cicli, l UR3 ha mostrato segni di fessurazione superficiale e sbiadimento, senza tuttavia esporre superfici metalliche o propagarsi verso la superficie della scheda, mentre l UR4 non ha mostrato quasi alcuna alterazione dell aspetto.

7 Resistenza alla condensa salina Al fine di valutare la protezione data in presenza di condensa salina, con lo scopo di simulare le condizioni di guida invernali, le piastre di prova mostrate nella fig. 4, precedentemente esposte a 1000 di shock termico, sono state sottoposte ad un test di condensa salina per 196 ore (5% di soluzione di NaCl). Le piastre sono state polarizzate costantemente a 50V ed è stata rilevata la resistenza all isolamento ad intervalli regolari per tutta la durata del test. Come è possibile notare di seguito nella figura 5, entrambi i materiali dimostrano una buona prestazione, dando un ottima protezione contro l ambiente con condensa salina, sebbene l UR3 abbia dimostrato un livello di resistenza all isolamento generalmente più elevato, in linea con i risultati derivanti dal test di condensa dell NPL. Fig. 5 Resistenza all isolamento di materiali in poliuretano esposti a condensa salina con una polarizzazione di 50V applicata costantemente. Conclusione Per rispondere alle richieste del settore in termini di maggiore affidabilità delle unità elettroniche a condizioni ancora più difficili, Electrolube ha sviluppato una gamma di rivestimenti protettivi dalle elevate prestazioni e privi di solventi. Questi rivestimenti sono stati sviluppati per essere utilizzati con maggiori spessori per far fronte ai diffusi problemi di applicazione e migliorare la copertura di spigoli vivi. È stato dimostrato che, su prodotti di prova costituiti da circuiti stampati, questi materiali offrono importanti miglioramenti della prestazione in termini di resistenza agli shock termici e agli ambienti esposti a condensa e a liquidi salini, di gran lunga superiori a rivestimenti protettivi tradizionali, ai rivestimenti ultra sottili e addirittura ai materiali vulcanizzati a raggi UV.