Vanliga lödfogar i bilelektronik håller inte. De måste ersättas av lödfria byggsätt. Flera av de stora tillverkare av bilelektronik har börjat använda nya tillverkningsmetoder, skriver byggsättsexperten Hans Danielsson.

Både Volvo Personvagnar och Saab Automobile har börjat kräva en livslängd hos bilarna på 20 år. Samtidigt får det ackumulerade felutfallet vara högst 0,2 procent efter en körsträcka på 160 000 km. Det innebär att kraven på tillförlitlighet har skärpts betydligt jämfört med tidigare.

En viktig konsekvens av detta blir att elektronik som placeras i motorrummet måste vara helt utan lödningar.

Kraven på elektroniken är lätta att förstå om man betraktar en personbil som ett system sammansatt av ett flertal delsystem.

Om biltillverkaren bestämmer att högst en bil av 25 får ha ett fel i något av de vitala systemen under en period av 20 år, då innebär det att bara ett delsystem av 500 får gå sönder under samma period. Antagandet bygger på att 20 av bilens delsystem anses som vitala. Det är delar som motor, växellåda, ABS-bromsar och elektroniskt klimatsystem.



Den ömtåliga punkten


Antar man att bilen körs två gånger per dag under tjugo års tid kommer enheten som sitter under motorhuven att utsättas för 14 600 temperaturändringar under denna tid. En temperaturändring på 60 °C, från +10 °C till 70 °C är ett snällt antagande. Ofta är temperaturändringarna på elektroniken under motorhuven mycket större.

Med tiden ökar felutfallet för lödfogarna. I synnerhet gäller det lödfogarna till benlösa komponenterna - chipskondensatorer och chipsmotstånd. Orsaken är att lödfogarna blir utmattade på grund av skillnaden i temperaturutvidgningskoefficient mellan chipskomponenter och bäraren av mönsterkortsmaterial - FR4. Ju större de benlösa komponenterna är, desto tidigare kommer felutfallet.

Med hjälp av standarden IPC-SM-785 som behandlar tillförlitlighetstestning av ytmonterade komponenter kan man beräkna felutfallet för ett kretskort med 50 chipsresistanser i storleken 0804. Utsätts kortet för temperaturändringar på 60 °C är felrisken för dessa chipsresistansers lödfogar 0,1 procent efter cirka 11,5 års drift. Med sannolikhetskalkyl kan man man då få fram att felrisken för lödfogarna till 50 resistanser är 4,9 procent.

Detta visar att lödpunkterna hos ytmonterad elektronik i en bil inte klarar kravet 160 000 km med högst 0,2 procent felutfall!

Vilken byggteknik klarar då av så höga kvalitetskrav i den svåra miljön under motorhuven i en bil? Trenden hos de europeiska bilelektroniktillverkarna är mycket klar.

Lödfogarna måste elimineras! Flera av de främsta bilelektroniktillverkarna har utvecklat helt lödfria byggsätt. Byggsätt som vanligen är baserade på keramiska substrat med nakna chips och trådbondning. Måste man använda geometriskt stora komponenter så svetsas de.



Lödfria byggsätt


Byggsätt med keramiska substrat klarar kvalitetskraven bättre än vanlig ytmontering av flera skäl:


• Resistanserna trycks oftast i tjockfilmsteknik och integreras med ledningsmönstret. Felutfallet blir så lågt att man inte behöver räkna med deras felintensitet.


• Utvidgningskoefficienten hos chipskondensatorer ligger nära substratets utvidgningskoefficient. Vanligen limmas kondensatorerna med ledande lim vilket är mer flexibelt än lod.


• Jämför man en förbindningskedja för en ytmonterad plastkapslad komponent med en förbindningskedja för ett okapslat chips på keramiskt substrat så kan man konstatera att chipsförbindningskedjan har större funktionssannolikhet över en lång tidsrymd. Orsaken är att det inte finns några lödpunkter i chipsförbindningskedjan. Montaget skyddas vanligen av en mjuk kiselgel.

I ytmonteringskedjan är tre olika material inblandade förutom själva kortet. Alla har olika temperaturutvidgningskoefficient. Det är kapseln av "hård" plast, bondtråden av guld och benramen av en metall-legering.

Hans Danielsson

Mikroelektronikkonsult AB



- Vi håller ögonen på lödningarna säger Saab och Volvo


- Vi inser att det kan finnas problem med lödningar i bilelektronik. Det säger man på Saab och Volvo.

- Rent allmänt finns det säkert bilmodeller som har problem med elektroniken, säger Lars E Olsson, kvalitetschef på Saab Automobile AB i Trollhättan.

- Jag kommer att gå igenom hela det här området och se om vi eventuellt måste göra några ändringar. Det finns alltid anledning att se över dagens konstruktioner, men ändå viktigare är nykonstruktionerna för framtida bilprojekt.

Lars E Olsson säger också att det är självklart att gå igenom tillverkningsprocesserna hos underleverantörerna.

- Vi har tagit hand om saken och har idag inte några tillförlitlighetsproblem med lödfogar säger Lars Olsson chef för strategiskt inköp på Volvo Personvagnar i Göteborg. I anslutning till motorn använder Volvo inga ytmonterade komponenter med lödförbindningar. Forcerad kylning används för elektronikenheten som styr motorn.

- Men diskussionen om lödfogarnas tillförlitlighet är dock alltid relevant, med tanke på att de bilmodeller som innehåller ytmonterad elektronik inte varit ute på marknaden så länge, konstaterar Lars Olsson också.

Han menar att det inte är svårt att hitta tillverkare som klarar lödfria metoder. I första hand är det stora japanska och tyska företag som levererar elektroniken.

Mats Udikas