Weiterentwicklung der EV-Elektronik mit Lichthärtungstechnologie

Der globale Markt für Automobil soll in den nächsten fünf Jahren voraussichtlich um durchschnittlich 6-7 % wachsen, wobei die Segmente Elektrifizierung und Fahrerassistenzsysteme (ADAS) auf 16 % ansteigen sollen. Dieses beispiellose Wachstum sowie verschärfte Umweltschutz- und Sicherheitsvorschriften und der Wunsch der Verbraucher nach mehr Komfort im Fahrzeug veranlassen die Fahrzeughersteller dazu, nach Möglichkeiten zu suchen, die Systemleistung zu verbessern und gleichzeitig die Gesamtkosten zu senken. Herkömmliche lösungsmittelbasierte Materialien und mechanische Verbindungselemente sind zwar in der Anschaffung und Implementierung günstiger, erhöhen jedoch langfristig die Gesamtherstellungskosten. Daher greifen viele Konstrukteure von Elektrofahrzeugen, Elektrofahrzeugen und Plug-in-Hybriden auf Lichthärtungstechnologie zurück, um Probleme im Zusammenhang mit geringem Durchsatz, schwieriger Abfallentsorgung und Feldausfällen zu lösen.

„Gesetzliche Änderungen, von den Verbrauchern nachgefragte Artikel (insbesondere solche, die sich auf Bequemlichkeit und/oder Komfort beziehen) sowie Sicherheitsverbesserungen haben die Entwicklung im Automobil Jahr für Jahr vorangetrieben. Heute, mit der zunehmenden Popularität der Elektrifizierung und des autonomen Fahrens, wächst der Anteil elektronischer Geräte in Fahrzeugen schnell, obwohl die Nachfrage nach Fahrzeugen nachlässt. Diese Entwicklungen, kombiniert mit einem erhöhten Bedarf an saubereren Emissionen und verbessertem Kraftstoffverbrauch, erhöhen auch den Bedarf an umweltfreundlichen Materialien“, so Chris Morrissey, Senior Manager, Automotive Electronics, Dymax.

Drei Marktsegmente, die den zunehmenden Einsatz von Lichthärtungstechnologien bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugelektronik vorantreiben, sind ADAS, Infotainment und Batteriemanagementsysteme (BMS). Es besteht Bedarf an Materialien, die häufige Probleme im Zusammenhang mit Sensoren, Modulen und Schaltkreisen in Kameramodulen, Lidar, Leiterplatten und EV-Batterien lösen. Darüber hinaus wird es immer wichtiger, Technologien zu ersetzen, die gefährliche Inhaltsstoffe enthalten, Abfall produzieren und bei deren Verarbeitung mehr Energie benötigt wird. Außerdem besteht der Wunsch, die Funktionalität zu erhöhen, die Schaltkreisgröße zu reduzieren und Garantien zu verlängern.

Vor 40 Jahren war Dymax maßgeblich an der Entwicklung lichthärtender Materialien (LCM) beteiligt, wie wir sie heute kennen. Dank des Einfallsreichtums und Weitblicks des Firmengründers Andrew G. Bachmann wurde eine Chemie entwickelt, die umweltfreundlich war und die Produktivität in industriellen Herstellungsprozessen deutlich steigern würde. LCM können im Vergleich zu herkömmlichen Klebung (oder Verbindungs-)Technologien erhebliche Vorteile bieten, darunter niedrigere Betriebskosten aufgrund des geringeren Arbeitsaufwands, Platzeinsparungen, geringeren Energiebedarf und höheren Durchsatz.

Wie funktionieren lichthärtende Materialien?

Lichthärtende Materialien bestehen typischerweise aus fünf Grundelementen: dem Photoinitiator, einem Zusatzstoff, einem Modifikator, einem Monomer und einem Oligomer (Abbildung 1). Der UV-Lichthärtungsprozess beginnt, wenn der Photoinitiator im LCM einer Lichtenergiequelle mit der richtigen Spektralleistung ausgesetzt wird. Wie in Abbildung 2 dargestellt, spalten sich die Moleküle des LCM in freie Radikale auf (Initiierung), die dann mit den Monomeren, Oligomeren und anderen Bestandteilen Polymerketten bilden (Ausbreitung), bis alle Bestandteile ein festes Polymer gebildet haben (Terminierung). Bei ausreichender Lichteinwirkung wird das flüssige LCM polymerisiert oder innerhalb von Sekunden gehärtet.

Zu den lichthärtenden Materialien, die auf dem Markt für Elektrofahrzeuge erfolgreich eingesetzt werden, gehören "Konstruktionsklebstoffe", Schutzbeschichtungen, Vergussmassen und Abdeckung . Seit ihrer Einführung haben Dymax LCM dazu beigetragen, die Umweltbelastung zu minimieren. Die formulierten Produkte sind alle einkomponentig, lösungsmittelfrei, halogenfrei, RoHS-konform, umweltfreundlich und erfüllen die REACH-Anforderungen (keine besonders besorgniserregenden Stoffe (SVHC)). Die Verwendung dieser Produkte bietet Herstellern viele Vorteile durch:

• Verbesserung struktureller Bindungen
• Schutz der Schaltkreise vor Umweltschäden
• Minimierung von Bewegung und Schrumpfung
• Befasst sich mit Wärmemanagement, Thermoschock und Vibration
• Verbesserung der PWB/PCA-Funktionalität und -Leistung
• Beseitigung von Schattenbereichen
• Lösen von Problemen bei der Heilungsbestätigung

Klebstoffe

aushärtbare Klebstoffe härten bei Einwirkung von UV-/sichtbares Licht in Sekunden aus. Sie bilden hochfeste, umweltbeständige Verbindungen mit Kunststoff-, Metall- und Glassubstraten, die bei der Herstellung von Automobil verwendet werden. Aufgrund ihrer Fähigkeit, mit einer Vielzahl von Substraten zu haften, eignen sie sich hervorragend für die Verbindung unterschiedlicher Materialien, was mit herkömmlichen Befestigungsmethoden und anderen Chemikalien nicht möglich ist. Die schnelle Aushärtung der Klebstoffe ist ein großer Vorteil von LCM gegenüber anderen langsam aushärtenden und arbeitsintensiven Auftragungsverfahren.

Schutzbeschichtungen

Schutzlacke verbessern die langfristige Zuverlässigkeit elektronischer Automobil . Auf Schaltkreise auf Leiterplatten aufgetragen, schützen sie vor zerstörerischen Umwelteinflüssen, die, wenn sie unbehandelt (ungeschützt) bleiben, zu einem vollständigen Ausfall elektronischer Systeme führen können. Ein wesentlicher Vorteil lichthärtender Schutzbeschichtungen ist die Möglichkeit, ein nicht solvatisiertes „grünes“ (100 % Feststoffe) Material zu verwenden. Weitere wichtige Materialeigenschaften sind die Beständigkeit gegen schnelle und extreme Temperaturschwankungen sowie der Schutz gegen hohe Hitze, Feuchtigkeit, Nässe, Chemikalien wie Benzin und korrosive Materialien wie Salz und Schwefel.

Einkapselungsmittel

Verkapselungs- und Klebung für Bare Die, Drahtverbindungen oder integrierte Schaltkreise (IC) auf Leiterplatten bieten hervorragenden Schutz gegen Thermoschock, Hitze, Feuchtigkeit und verschiedene korrosive Elemente. Ihre schnelle Aushärtung trägt dazu bei, die Verarbeitungs- und Energiekosten zu senken, die mit alternativen Technologien verbunden sind.

Maskierungsharze

Temporäre, abziehbare elektronische Maskierungsmittel werden auf Leiterplattenkomponenten aufgetragen, um sie vor dem Auftragen von Beschichtung oder Wellenlöt- und Reflow-Prozessen zu schützen. Durch die extrem schnelle Aushärtung können die Platinen sofort verarbeitet werden, ohne dass sie zwischengelagert oder gewartet werden müssen. Die Produkte passen sich komplizierten Designs an, sind auf vertikalen und horizontalen Oberflächen bruchfest, mit Gold- und Kupferanschlussstiften kompatibel und beständig gegen Schutzbeschichtungen und Grundierungen auf Lösungsmittelbasis. Nach der richtigen Aushärtung hinterlassen die Maskierungsmittel beim Entfernen keine Silikon-, Ionen- oder Korrosionsrückstände.

EV-Elektronikanwendungen, in denen Dymax LCM verwendet werden

In verschiedenen LCM-Chemikalien von Dymax sind zahlreiche Technologien enthalten, um die Gesamtherstellung der EV-Elektronik zu verbessern.

Aushärtung im Schattenbereich

Dual-Cure Licht-/Feuchtigkeitshärtungstechnologie

Dual-Cure-Beschichtungen sind so formuliert, dass sie eine vollständige Aushärtung bei Anwendungen gewährleisten, bei denen Schattenbereiche auf hochdichten Leiterplatten ein Problem darstellen. Bisher wurden lichtverschattete Bereiche durch selektive Beschichtung – wodurch die Aushärtung in Schattenbereiche entfiel – oder durch einen zweiten Wärmehärtungsprozess behandelt. Schattenbereiche härten im Laufe der Zeit mit Feuchtigkeit aus, wodurch dieser zweite Prozessschritt nicht mehr erforderlich ist und keine Bedenken hinsichtlich einer Verschlechterung der Lebensdauer der Komponenten durch Temperaturbelastung bestehen.

Mehrfachhärtung ^® Licht-/Wärmehärtungstechnologie

Multi-Cure-Klebstoffe und -Beschichtungen kombinieren die Hochgeschwindigkeitshärtung von UV- oder UV-/sichtbares Licht mit sekundären Härtungsmechanismen, die die Polymerisation verbessern. Sekundäre Härtungsmechanismen, zu denen Feuchtigkeits-, Wärme- oder Aktivatorhärtung gehören, sind nützlich, wenn das Licht nur einen Teil der Klebelinie erreichen kann oder wenn ein Teil vor der endgültigen Aushärtung angeheftet wird, um eine einfachere Handhabung und einen einfacheren Transport während des Herstellungsprozesses zu ermöglichen.

Verbesserte Klebelinienprüfung

Blaue Fluoreszenztechnologie

Viele lichthärtende Materialien verfügen über Technologien, die eine einfache visuelle Bestätigung der Aushärtung und eine Inspektion nach der Aushärtung ermöglichen. Bei der Hochgeschwindigkeitsfertigung werden automatisierte Bildverarbeitungssysteme eingesetzt, um fertige Teile auf Unvollkommenheiten in der Klebelinie zu prüfen oder eine unvollständige Beschichtung festzustellen. Formulierungen mit blau fluoreszierender Technologie sind unter schwachem Schwarzlicht sichtbar und ermöglichen eine einfache visuelle Bestätigung ordnungsgemäß fertiggestellter Teile.

Materialien in leuchtenden Farben

Einige LCM enthalten im ungehärteten Zustand ein Farbpigment wie Rosa oder Blau, sodass sie beim Auftragen auf Substrate leicht zu erkennen sind, um eine vollständige Materialabdeckung sicherzustellen. Sobald sie der entsprechenden Menge an LED-/ UV-/sichtbares Licht ausgesetzt werden, wechselt die Farbe zu einer anderen Farbe oder wird farblos, was die vollständige Aushärtung bestätigt.

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LED-Lichthärtungstechnologie

Aufgrund der Kosten und Schwierigkeiten bei der Entsorgung von Sondermüll beginnen Hersteller, LED-härtbare Materialien und Lichthärtung in ihre Prozesse zu integrieren. Die LED-Härtung gilt als „grüne“ Technologie, da sie den Herstellern folgende Vorteile bietet:

• Hoher elektrischer Wirkungsgrad und sofortige Ein-/Ausschaltfähigkeit für geringere Betriebskosten
• Lange Lebensdauer, die den Lampenwechsel überflüssig macht und die Wartungskosten senkt
• Kompakte Ausrüstung, die die Größe und Kosten des Lichthärtungssystems reduziert
• Kalte Lichtstrahlung erweitert die Aushärtungsmöglichkeiten für wärmeempfindliche Substrate
• „Grüne“ Eigenschaften eliminieren Sicherheitsrisiken und Handhabungskosten in Bezug auf Quecksilber und Ozon
• Emission mit schmalem Wellenlängenspektrum minimiert den Temperaturanstieg des Substrats

ADAS – Active Alignment (CMOS) und Lidar (Klebstoffe, Verkapselungsstoffe)

Klebstoffe und Vergussmassen von Dymax werden für eine Vielzahl von Kameramodul- und Lidar-Anwendungen verwendet, darunter Kameramodulfixierung, Linse-Gehäuse-, Linsenfixierung, IR- Klebung, Gehäuse-Substrat-, Chip-Befestigung, Klebung und Bildsensor-Substrat. Bei der Herstellung von Kameramodulen für ADAS ist die Positionierung und Befestigung der Linsen im Kameramodulgehäuse von entscheidender Bedeutung. Die Branche bewegt sich weg von der passiven Ausrichtung (d. h. mechanische Befestigung mit Klammern), die dazu führen kann, dass sich die Linse verschiebt, kippt, defokussiert und dreht. Aktive Ausrichtung mit lichthärtenden aushärtbare Klebstoffe ermöglicht eine schnelle Befestigung (in Sekunden) für hohe Genauigkeit (< 0,1 mm) und mehrachsige Ausrichtung mit optischer Steuerung. Da die Polymerisation erst durch Lichtenergie erfolgt, können montierte Teile zudem bewegt werden, bis sie richtig positioniert sind. Nach der Positionierung werden Vergussmassen zum Schutz der Komponenten vor der Umgebung verwendet. CMOS-Klebstoffe von Dymax bieten außerdem:

• Kühlversand/-lagerung sowie Lagerung bei Raumtemperatur
• Geringe Schrumpfung
• LED- und/oder Wärmehärtungsfunktion
• Feuchtigkeits- und Temperaturwechselbeständigkeit

Zu den weiteren Vorteilen dieser Materialien im Montageprozess zählen Urethanacrylat und kationische UV- und/oder Wärmehärtungstechnologien, LED-härtbare Formulierungen, sehr geringe Bewegung, Hitze- und Feuchtigkeitsbeständigkeit (85 °C, 85 % relative Luftfeuchtigkeit) und ausgezeichnete Bindungen an Metall und Kunststoff.

Infotainment (auf PCB -Basis) (Schutzbeschichtungen, Einkapselungs- und Maskierungsmittel)

Eine wichtige Überlegung für Ingenieure, die Lichthärtungstechnologie in ihren PCB Designs einsetzen möchten, ist, ob die Platten hochkarätige Komponenten enthalten, die Schattenbereiche werfen, die nicht vom Licht erreicht werden können. Neu formulierte, zu 100 % feste Schutzbeschichtungen verfügen über eine sekundäre Feuchtigkeitshärtung, die das Aushärten von Material in Schattenbereiche ermöglicht, wodurch Bedenken hinsichtlich nicht ausgehärtetem Material auf der PCB ausgeräumt werden. Diese Produkte zeigen eine hohe Zuverlässigkeit in Tests wie Hitze- und Feuchtigkeitsbeständigkeit (85 °C, 85 % relative Luftfeuchtigkeit), Temperaturschockbeständigkeit (-55 °C bis +125 °C) und Korrosionsbeständigkeit (Schwefelblumen, Salzsprühnebel und gängige Automobil ). Die dualhärtenden Schutzbeschichtungen von Dymax ermöglichen die Entwicklung kleinerer, dichterer PCBs, indem sie kürzere Abstände zwischen den Leitern, eine bessere mechanische Unterstützung der Komponenten und eine verbesserte Lebensdauer der Lötstellen ermöglichen.
Verkapselungsmaterialien sind Polymermaterialien, die zum Schutz von Chips und Verbindungen verwendet werden, um die langfristige Zuverlässigkeit der Chip-on-Board-Baugruppe (COB) zu gewährleisten. Dymax-Materialien werden in Flüssig- und Glob Top -Verkapselungsanwendungen verwendet, bei denen sie auf einen Chip und seine Drähte aufgetragen und dann ausgehärtet werden, um eine Schutzbarriere zu bilden.

Lichthärtende Maskierungsmittel sind temporäre Materialien, die auf Platinenebene verwendet werden, um Leiterplatten während der Oberflächenveredelung und Montageprozesse zu schützen.

EV-Batteriepacks/BMS (Schutzbeschichtungen, Verkapselungsstoffe, Klebstoffe)

Der EV-Akkupack enthält ein Batteriemanagementsystem (BMS), um Ladezustand, Temperatur, Strom und Zellen auszugleichen, zulässige Betriebsbedingungen zu bestimmen und Informationen an den Fahrer zu senden. Zu den üblichen Anwendungen von EV-Akkus gehören das Vergießen und Klebung von Akkumodulen, das Beschichtung von PCBs im BMS, das Abdichten von Batteriegehäusen und das vergießend von Elektroden in Einheitszellen. Eine Reihe von LCM wird verwendet, um diese Komponenten zu befestigen und zu schützen, darunter Schutzbeschichtungen für Wärmemanagement und Außenschutz, "Konstruktionsklebstoffe" für Gehäuse und Rahmen sowie Einkapselungsmittel für Klebung. Dymax-Materialien werden am effektivsten dort eingesetzt, wo das Klebung und Fixieren von zylindrischen Lithium-Ionen-Akkuzellen in Kunststoffgehäusezellen und das Beschichtung von PCBs sichergestellt werden müssen.

Im Zuge der Weiterentwicklung des Marktes für Elektrofahrzeugelektronik wird Dymax auch weiterhin Lichthärtungstechnologien entwickeln, die die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Hersteller steigern.