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。