知識庫

淺談結露與冷凝對車電產品的影響
  • 發布年度:2021
  • 主要類別:耐久與可靠度
  • 次要類別:電子報
  • 車輛中心 環能與車電工程處 卓永豐

    車輛近十年快速朝智慧化與電動化發展,在控制迴路與感測元件方面大量採用電子電路,而道路環境在溫度與濕度轉換時,會有結露(Dewing)和冷凝(Condensation)現象,對於這些電子電路造成影響,如果沒有完善的防護或對策,極有可能導致嚴重的車輛失控;本文以下淺談結露與冷凝的失效模式,並提供標準檢測方式,讓社會大眾對結露與冷凝對車電產品的影響有更進一步的了解。

    水蒸氣會因為溫度變化凝結成小水滴,水滴形成的溫度稱為露點,當表面溫度達到露點時,大氣中的水蒸氣凝結在表面形成小水滴,此現象稱為結露,如圖1所示。當含有濕氣的熱空氣與寒冷的表面(例如車窗)接觸時,就會形成冷凝水,當熱空氣遇到冷空氣時,熱空氣中的水分凝結在冷表面上,此現象稱為冷凝,在汽車的擋風玻璃上,冷凝的濕氣以數百個細小水滴的形式出現,與結露較為明顯的小水滴不同,從駕駛員的角度來看,它們就像是霧,如圖2所示。

    對於車用電子產品,從尺寸較小的LED車燈驅動電路板,到尺寸較大的動力電池系統等,都有可能發生結露與冷凝現象;雖然車用半導體晶片會經過封裝再焊接於印刷電路板上,封裝可達到絕緣功用卻不是完全氣密,大氣仍可透過電源端子等開口滲入,一旦水分子滲透到提供絕緣保護的凝膠中,歸納會有以下影響:
    1. 降低阻隔電壓(Blocking Voltage):如果車電產品發生結露與冷凝現象,水分子容易聚積在較冷的表面上,例如基板,端子以及半導體表面。由於水分子的偶極特性,它們被吸引到帶電的半導體表面,並在電場中對齊如圖3所示。這會導致半導體邊緣終端處的電場線中斷,導致阻隔電壓降低。
    2. 腐蝕(Corrosion):腐蝕對半導體晶片的影響是眾所皆知的,在施加電壓及濕度的情況下,晶片邊緣會逐漸鈍化腐蝕後故障如圖4所示,導致半導體失效。

    圖3. 水分子因偶極特性和冷凝作用聚積在導體表面上
    (圖片來源:SEMIKRON / 2016-07-15 / Application Note)

    圖4. 電路板因冷凝結露而產生腐蝕現象

    一旦水蒸氣冷凝結露成液體附著在電子產品表面,如圖5所示,輕則發生腐蝕現象,重則因冷凝水在通電過程中破壞絕緣阻抗甚至構成短路,恐將引起火災,2019年時即有歐美車廠將純電動車召回,主因就在於高電壓電池系統的冷卻迴路,與外部熱空氣產生冷凝現象,致使絕緣設計失效,有進一步發生火燒車的風險,如圖6所示。

    由於道路環境中無法避免結露與冷凝的發生,就需透過測試來驗證車電產品對結露與冷凝的對策,表1為常見的結露與冷凝的國際標準規範,通常可以分2種方式執行,1種是固定濕度下,溫度在25到55℃之間循環,並在168hr的循環後,進行絕緣耐壓檢測,確認車電產品的絕緣特性;第2種仍是固定溼度,但溫度在高低溫之間循環,藉此評估車電產品面對冷空氣的功能性。

    表1. 結露與冷凝的測試標準規範

    車輛中心(ARTC)為服務車輛相關業者,對相關法規檢測方法已具備完整能量,若需進一步了解相關檢測內容細節,歡迎聯絡環境測試課曾友彥工程師 電話:04-7811222分機2452、e-mail:richard@artc.org.tw

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