カーエレクトロニクスの過酷な環境入門

最近の自動車は、カーエレクトロニクスの進歩によって大きく進化しました。電子機器は自動車に不可欠な機能となり、単純な点火システムから高度な運転支援技術まであらゆるものに搭載されています。しかし、車載用の製品は、代表般的な消費者向け機器のほとんどとは異なり、厳しく過酷な環境に耐えなければなりません。したがって、これらのシステムがあらゆる外部状況下で確実に動作することを保証することは、設計者やエンジニアにとって課題となります。

複雑な動作条件: アラスカの極寒の冬からサハラ砂漠のうだるような夏まで、カーエレクトロニクスはさまざまな環境下で完璧に機能することが求められます。急激な温度変化にさらされるため、電子部品に大きな負担がかかります。これらの極端な温度は、材料の膨張と収縮を引き起こすだけでなく、急激な温度変動も引き起こし、電子部品にストレスを与えます。

振動と機械的ストレス: 自動車の動作環境はもともと動的なものです。カーエレクトロニクスは、速度、道路にある穴、エンジンの回転による振動を常に受けています。これらの振動運動が適切に管理されない場合、早期の障害、疲労、さらには断線につながる可能性があります。

汚染物質への曝露: 自動車の車体下部は世界で最も汚い部分です。車の構造上、泥、水、ほこり、さらには塩分の浸入が可能です (特に冬の間道路に塩が撒かれる地域)。これらの不純物は、特に湿気と相まって、電子部品の劣化、短絡、腐食を引き起こす可能性があります。

高い電気的ストレス: 多数のセンサ、アクチュエータ、コンピュータを備えた車両の電気システムは、高電圧と高電流の複雑なネットワークです。ロードダンプやサージなどのさまざまな過渡的状況により、部品に高い電気的ストレスがかかる可能性があります。

他のシステムとの統合: 自動車内の電子機器は連携して動作します。これらは統合され、空気圧、油圧、機械システムを含むさまざまな他のシステムと連携して動作します。1つのシステムの故障が他のシステムにドミノ効果をもたらす可能性があるため、この相互接続によってレジリエンスの必要性がさらに浮き彫りになります。

カーエレクトロニクスシステムは危険な軌跡をたどっています。機能性を保証するだけでなく、優れた堅牢性と信頼性も示す必要があります。これらの厳格な仕様により、カーエレクトロニクスが特定の動作環境の要求に耐えられることを確実にするために、特定の設計哲学、材料の選択、および試験手順が開発されました。

振動

車両の内部動作と外部環境条件の両方により、カーエレクトロニクスはさまざまな程度と種類の振動に常にさらされています。十分に対処しないと、これらの振動は電子部品の機能性、信頼性、寿命に悪影響を及ぼす可能性があります。

カーエレクトロニクスにおける代表的な振動レベルとタイプ

ランダム振動: 周期的な振動とは対照的に、ランダム振動は予測不可能であり、エンジンの乱流やでこぼこな路面など、さまざまな要因から発生する可能性があります。予測不可能な性質のため、これは主要な問題であり、スペクトル強度によって特徴付けられます。

正弦波振動: これは通常、タイヤやエンジンなどの回転部品によって引き起こされる、一定の周波数の周期的な振動です。予測可能ではありますが、振動の影響は特定の部品と共振することで増幅される可能性があります。

衝撃: 衝撃とは、道路の穴にぶつかったときやひどい事故に遭ったときに起こるような急激で強い力または加速ですが、一定の振動ではありません。電子機器は、故障することなくこのような突然の負荷に耐えることができなければなりません。

部品レベルで振動を最小限に抑えるための設計上の検討事項

部品の取り付け: 部品を安全に取り付けるには、適切な留め具、接着剤、またははんだ付け手順を使用する必要があります。フレキシブルな取付け具やダンパーは、電解コンデンサやリレーなどの大型部品の振動エネルギーを吸収および分散するために使用できます。

部品の選択: ある部品は他の部品よりも振動に強いように作られています。たとえば、可動要素を持つ電子機器よりも、ソリッドステートエレクトロニクスの方が好まれる場合があります。さらに、車載アプリケーションでは、高い固有のG力耐性を備えた部品を使用する必要があります。

回路基板設計: プリント回路基板 (PCB) を設計する際には振動を考慮する必要があります。より厚いボードを使用したり、トレースの長さを短くし、タイポイントやアンカー追加したりすることが、テクニックの一部です。ボードが曲がった場合、サイクル疲労が部品障害の主な原因となる可能性があります。

筺体とパッケージ: 特定の状況では、筐体自体によって振動を軽減できます。減衰層または減衰機能が組み込まれた材料を使用すると有利になる可能性があります。振動の影響は、内部の支えやサポートを含む、筐体の全体的な形状と設計によっても軽減されます。

共振の回避: 車両が定期的に経験する振動周波数と一致する固有周波数をアセンブリまたは部品が持たないようにすることが重要です。共振により振動が大きく増幅され、突然の故障につながる可能性があります。

環境試験: 現実世界の状況を再現するために、すべての設計は最終的に広範囲にわたる振動試験を受ける必要があります。これにより、部品が大量生産される前に、潜在的な弱い領域や共振を特定するのに役立ちます。

結果として、自動車の動的な性質により、カーエレクトロニクスの設計における振動管理は非常に重要です。エンジニアは、これらの振動の原因を理解し、軽減を考慮して計画を立てることで、車載電子機器の耐久性と信頼性を保証することができます。

湿度

温度、地理的な場所、車両の通常の使用状況の変化により、湿度はカーエレクトロニクスにとって常に問題となります。車両はさまざまな温度環境で稼働し、狭い空間であるため、結露はいつも発生します。適切に処理しないと、電子システムに悪影響を与える可能性があります。

電子部品に対する湿度の影響

特に他の不純物と組み合わさると、湿気は腐食を早め、短絡を引き起こしたり、導電線間の空間に樹枝状成長を引き起こしたりする可能性があります。例えば以下のものがあります。

腐食: 湿気に長時間さらされると、はんだ接合部や電子部品に使用されている金属の大部分が腐食し、部品の寿命と性能が低下する可能性があります。

漏電: PCBの表面は湿気によって導電性になり、寄生電流が発生して回路の機能が損なわれたり、完全に故障したりする場合があります。基板の汚れの程度も寄生電流の値に影響します。

剥離: PCBの吸湿により、コンフォーマルコーティング層、または、はんだ抵抗が剥離し、基板の脆弱性が増す可能性があります。

コーティングおよびポッティング技術

湿度の問題に対処するには保護対策が必要です。コーティングとポッティングは、最も一般的な2つの対策です。

コーティング: PCBの表面はこれらの薄い層で直接コーティングされており、その厚さはわずか数マイクロメートルであることが多くあります。汚染物質や湿気から保護すると同時に、修理ややり直しも簡単になります。代表的なコーティングは、ウレタン、シリコン、アクリルです。

ポッティング: 強固な絶縁体を形成するには、固体またはゲル状の材料で電気アセンブリ全体を覆う必要があります。ポッティングは湿気や物理的損傷に対する優れた耐性を提供しますが、将来の修理ややり直しをほぼ完全に防ぎます。一般的なポッティング化学物質には、シリコン、ポリウレタン、エポキシなどがあります。

筐体内の湿度と圧力レベルを下げるブリーザーベント

機能性: ハウジング内部と外部の圧力をバランスさせるために、ブリーザーベントにはガスと空気が自由に行き来できるという2つの機能があります。したがって、これらのブリーザーベントにより、一日中太陽の下で焼けつくような暑さにさらされていた住宅に突然の冷たい雷雨が襲ったときに生じる温度と圧力のアンバランスを速やかに修正します。これにより、シール部分をストレスから保護するだけでなく、圧力による変形から筐体を保護することもできます。さらに、この通気性の程度により、結露の頻度と強度を軽減できます。

ブリーザー設計: 通気口には、空気は通すが液体の水は通さない膜が付いていることが多く、濡れたり水しぶきがかかったりやすい状況でも車内を乾燥した状態に保ちます。積極的に水分を集めて保持する乾燥剤も、内部の湿度レベルをさらに下げるために、一部の洗練された通気口に組み込まれています。

配置: 通気口の配置は非常に重要です。飛沫やゴミが舞い上がらない場所に設置し、空気を効果的に交換できるようにする必要があります。さらに、外部の不純物が蓄積されても機能が損なわれることはありません。

図1 : ブリーザーベントのアプリケーション例

結論として、湿気がカーエレクトロニクスに与える影響を誇張することは不可能です。車内での電子機器の需要が増え続けているため、コーティング、ポッティング、換気技術による湿度管理が不可欠になっています。気候変動の状況に直面しても、電子機器は適切な設計と予防措置により耐久性と信頼性があるように作られています。

熱衝撃

熱衝撃は、カーエレクトロニクスの分野における自然な環境ストレスです。これは、急激かつ激しい温度変化が発生し、電子部品が極端な温度にさらされることと定義されています。車両が遭遇する気候や運転状況の多様性を考えると、熱衝撃を理解して軽減することの重要性を強調することはできません。

カーエレクトロニクスにおける代表的な熱衝撃要件

範囲: カーエレクトロニクスは、-40°Cから125°Cの温度範囲では故障しないと広く信じられています。自動車の特定の目的と対象となる市場を考えると、これらの数値はさらに高くなる場合があります。

サイクル期間: サイクルの長さ、つまり高温と低温での時間の長さは、問題のある部品や試験のガイドラインによって変わる可能性があります。それぞれの極端な温度では、持続時間は数分から数時間までの幅になります。

サイクルの繰り返し: カーエレクトロニクスは、耐久性と信頼性を保証するために、試験中に数百、あるいは数千もの温度サイクルを経ることがあります。

試験室: これらの状況を再現するために、標準化された試験室 (熱衝撃室とも呼ばれる) が使用されます。これらの試験室は、現実世界の状況を再現するために、極端な温度間を素早く切り替えることができます。

熱衝撃がはんだ付けと筐体シールの疲労に与える影響

はんだの疲労: 電子アセンブリにおける重要な接続部分であるはんだ接合部は、特に弱点となります。これらの接合は、熱による膨張と収縮により破損したり、分離したりする可能性があります。さまざまな材料の膨張率が異なるため、2つの異なる材料を接合するはんだ接合部にかかる圧力が特に高くなる可能性があります。はんだは繰り返しサイクルを経て硬化し、脆くなり、故障しやすくなります。高温に加熱された表面実装電子部品の断面顕微鏡検査を添付画像に示します。部品のリードとプリント基板の銅のフットパッド間のはんだ接合部に亀裂が見られます。

部品のワーピング: 急激な温度変化により内部張力が生じ、セラミックコンデンサやICパッケージなどの他の部品が変形したり割れたりする可能性があります。

筐体シール: さらに、電子機器の筐体から不純物や湿気を防ぐシールも損傷を受けやすくなります。ガスケットやシーリング材は、頻繁な熱サイクルによって劣化したり、柔軟性を失ったり、さらには破損したりする可能性があり、筐体の保護特性が損なわれる可能性があります。

材料に関する検討事項: 組み立てでの熱応力に対する耐性は、選択されたはんだ合金、PCB材料、および部品パッケージの種類によって大きく左右される可能性があります。エンジニアは、これらの応力を軽減するために、補完的または一致する熱膨張係数 (CTE) を持つ材料を選択することがよくあります。たとえば、セラミックは、優れた熱伝導性と、オートマチックトランスミッションなどの高温環境で使用される繊細なセラミックコンデンサや抵抗器と補完的なCTEを備えたPCB材料として頻繁に使用されます。

カーエレクトロニクスの設計と信頼性は、熱衝撃によって著しく損なわれます。通常の仕様とそれがはんだ付けや筐体にどのように影響するかを理解することが重要です。自動車エンジニアは、設計プロセスの早い段階でこれらの検討事項を考慮し、これらの負荷に耐えられる材料と構造を選択することで、最も厳しい状況でも電子システムの長期的な信頼性を保証できます。

水やほこりの侵入

カーエレクトロニクスでは、水やほこりに対する保護を維持することが極めて重要です。自動車は、埃っぽい道路や激しい豪雨など、さまざまな環境条件に頻繁に遭遇するため、これらの要因に対する保護対策が必要です。IP等級は、筐体の保護レベルを評価および定義するために業界で使用される主要な標準の1つです。

IP等級とは?

定義: IPは「ingress protection (侵入保護)」の略です。IP等級システムは、固形物、ほこり、水の浸入、偶発的な接触に対する電気筐体の保護レベルを評価する国際的に認められた方法です。

書式: 通常、IP等級は2つの整数で構成されます。最初の数字は固体 (ほこりなど) に対する保護の程度を示し、2番目の数字は液体 (通常は水) に対する保護の程度を示します。たとえば、IP65定格のガジェットは、噴射水やほこりに対して耐性があります。

固体の保護 (最初の桁)

• IP0x: 特別な保護なし
• IP1x: 50mmを超える物体に対する保護
• IP6x: 防塵、ほこりの侵入なし

液体保護 (2桁目)

• IPx0: 保護なし
• IPx4: あらゆる方向からの水しぶきに対する保護
• IPx7: 一時的に水に浸った場合の保護
• IPx9k: 近距離での高圧水噴射に対する保護

システムのIP等級が高いからといって、必ずしも下位レベルのIP等級保護レベルをすべて満たすわけではないのでご注意ください。たとえば、IPx9k定格のシステムは、短期間の高圧水噴霧試験には耐えられますが、これらの試験で使用される浸水メカニズムが異なるため、長期間のIPx7浸水試験には耐えられない可能性があります。その結果、システムを各IP等級試験に個別に実行することが頻繁に必要になります。

車両のパッケージ場所に基づくIP等級要件

エンジンルーム: この領域では、気温の上昇、液体の漏れ、汚染物質の浸入が発生する場合があります。この分野の電子機器、特に冷却剤、潤滑剤、洗浄剤の近くにある電子機器には、通常、IP67、または、IP69kの等級が必要です。

アンダーキャリッジとホイールウェル: これらのエリアの部品は道路に近接しているため、泥、道路の破片、水しぶきに常にさらされています。ABSセンサやトランスミッションモジュールなどの部品では、IP68のような高いIP定格が求められることがよくあります。

車内: インフォテインメントシステムやHVACコントローラは、湿気やほこりにさらされることが少ない内装部品の例です。ただし、まれに水がこぼれたり、水しぶきがかかったりしても耐えられる必要があるため、IP42の等級が必要になる場合がよくあります。

ドアパネルとサイドミラー: サイドミラーアジャスタやウィンドウレギュレータなどの特定の部品は、雨や洗車による水の侵入から保護する必要があります。これらの部品はIP65の等級に適しています。

屋根と外部センサ: 特にADASや自動運転においては、カメラやLiDARなどの外部センサが雨や雪、ほこりなどのさまざまな気象条件に耐えられる必要があります。多くの場合、IP67以上などの高いIP等級を持っています。

最終的には、IP等級システムと、車両内の電子部品の配置に左右されるいくつかの前提条件を理解することが不可欠です。自動車メーカーは、適切な種類の侵入保護を確実に実施することで、電気システムの堅牢性、信頼性、セキュリティを大幅に向上させることができます。適切なIP等級を達成し、厳しい自動車環境から電子機器を保護するには、適切なシーリング、ガスケット、筐体材料の選択が重要です。

自動車の清潔さ

自動車市場、特にプリント回路基板アセンブリ (PCBA) では、高い清浄度の基準が求められます。これは美的感覚を超えたものです。基板上の汚染物質は、部品の障害から電気的な故障まで、さまざまな問題を引き起こす可能性があります。カーエレクトロニクスの清潔さに関する要件、問題、安全対策を詳しく見てみましょう。

PCBAの清浄度に関するIPC標準要件

概要: PCBAの清浄度に関する規格はIPC (プリント回路協会) によって制定されており、特にIPC J-STD-001とIPC-CH-65Bが有名です。これらは、電子アセンブリが世界規模で許容されるかどうかを判断するためのベンチマークとして機能します。

溶媒抽出物 (ROSE) の抵抗率: これはIPC規格に記載されている一般的な試験手順です。この方法では、PCBを溶剤で洗浄し、溶剤の抵抗率を測定してイオンによる汚染度を調べます。

しきい値: これまでの許容レベルは、1平方センチメートルあたり1.56マイクログラムのイオン汚染でした。しかし、電気部品のパッケージは日々小型化しているため、IPCは、何が十分にクリーンであるかどうかを判断するためにいかなる種類のしきい値も使用しないよう助言しています。最新の勧告によると、ボードは結露試験またはSIR (表面絶縁抵抗) 試験を受ける必要があります。

汚染された生産工程による腐食と樹状突起

腐食: 基板上にイオン性不純物が残っていると金属部品が腐食する可能性があります。これらの不純物は湿気と結合すると導電経路を形成し、予期しない電流が発生して部品を損傷する可能性があります。

樹状突起の成長: プリント基板の表面の腐食は、樹枝状成長またはエレクトロケミカルマイグレーションとして知られています。これらは糸に似た非常に小さな金属成長であり、電気チャネルの間に発生することがあります。樹状突起は導電性があるため、デバイス内で電気的な短絡を引き起こす可能性があります。イオン汚染、湿気、部品のリード線内の移動しやすい金属、電圧バイアスなどが複合的な原因です。

予防措置

クリーンな生産: クリーンな生産は製造段階から始まります。生産ラインの清浄度の定期的なモニタリング、高純度溶剤の使用、清潔な環境の維持への取り組みは、汚染物質を大幅に最小限に抑えるための重要な対策です。

PCBAコーティング: コンフォーマルコーティングをPCBAに適用すると、保護層として機能し、既存の汚染物質を効果的に密封し、機械的摩耗、湿気、汚染などの外部要因から保護します。アクリル、シリコン、ウレタンは異なるタイプのコーティングを表し、それぞれが特定のアプリケーションに合わせた独自の利点を提供します。電子機器の表面、特に表面張力によってコーティング材の塗布に逆らうような曲がった角がある部品のリード線や端子に十分なコーティングの厚さを確保することが不可欠です。

結露防止: 多くの汚染関連の問題では、水分が触媒となり、腐食の発生に必須の導電性イオンチャネルの形成を助けます。結露を防ぐためには筐体の設計が不可欠です。内部結露を軽減するために、いくつかの対策を講じることができます。

• 密閉された金属筐体: プラスチック製の筐体は湿気を吸収する性質があるため、結露が発生しやすく、内部に水が溜まります。ただし、金属製の筐体によって十分な保護が提供されます。
• 部品を互いに離して配置する: 電位間の距離が長くなると、電位間で腐食が発生して回路に影響を及ぼす可能性が減少します。
• 保護コーティング: 前述のように、保護コーティングは汚染を防ぐだけでなく、結露が電子機器に影響を及ぼすのを防ぐのにも役立ちます。
• ポッティング: ポッティングは電子部品を完全に覆い、強固な絶縁を提供します。
• 通気口: 外部と内部の圧力を均等にし、内部の湿気を除去するために、通気口が役立ちます。

定期検査: 生産ラインでイオンクロマトグラフィや顕微鏡による目視検査などの検査技術を活用すると、汚染関連の問題を早期に特定し、防止するのに役立ちます。

結論として、カーエレクトロニクスで清潔さは譲れないものです。その目的は、単に機能的な部品を作るだけにとどまらず、製品のライフサイクル全体を通じて長寿命、信頼性、最適なパフォーマンスを保証することも含まれます。車両は重要な機能のためにより複雑な電子システムに依存するようになり、これらの規格と実践の重要性は必然的にさらに拡大するでしょう。