汉高大中华区技术经理蔡焕新：高可靠性电子材料如何赋能自动驾驶

2020年6月22日-23日，由南京经济技术开发区与盖世汽车联合主办的“2020第三届全球自动驾驶论坛”隆重召开。本次论坛重点围绕与自动驾驶规模化商用有关的核心技术、法律法规、技术评测、商业模式等话题展开探讨，下面是汉高（中国）投资有限公司汽车电子大中华区技术经理蔡焕新博士在本次论坛上的发言：

汉高（中国）投资有限公司汽车电子大中华区技术经理 蔡焕新博士

尊敬的各位来宾，大家下午好！很荣幸今天有这个机会在这边跟大家分享一下我们汉高在自动驾驶领域的一些新的材料和解决方案。

我今天汇报的主题是《高可靠性材料如何助力自动驾驶行业》，我主要准备从三个方面来进行介绍：首先简单解释一下我们公司。

汉高是一个全球化的化学品公司，我们的产品在全球各地各行各业都有被使用，我们全球一共有53000名员工，来自于120个国家，全球大概有188个工厂。

汉高是1876年在德国的杜塞尔多夫成立的，有超过140年经营的历史，也是一个家族企业，可以算是一个标准的德国的百年老店。

汉高最大的一块业务来自于胶黏剂部门，旗下有四个事业部，今天我们介绍的材料和技术主要来自于汽车与金属这个事业部。

汉高在汽车行业深耕多年，我们在全球有11个研发中心，分布于各大洲。比如说上海就是我们在亚太地区的技术研发中心，同时我们全球都配有产品应用和开发的团队。

讲到汉高汽车电子材料，我们在亚洲、北美、欧洲都有制造和研发基地。可能有朋友会问，那么汉高跟自动驾驶到底有怎样的关系呢？这张图，我想大家已经比较熟悉了，自动驾驶划为L0—L5的等级，要实现这样自动驾驶的等级，我们需要使用到各种各样的传感器，比如对于L2这样的等级来说，可能需要3—5个雷达，4—6个摄像头。而对于L4来说，这个数字会上升到4-6雷达，7-8个摄像头，2-4个激光雷达。实际上这些传感器相当于我们汽车的眼睛、耳朵和鼻子，最终需要一个大脑来对这些信息进行处理，也就是data module数据处理模块。这些传感器或者数据处理模块会应用到各种丰富的电子材料，比如像导热的材料、灌封材料，还有一些线路板的保护材料，这些材料能够确保电子元器件有效的工作，并且能长期稳定的工作。

下面请大家看一个短片，从中可以看到汉高在自动驾驶领域到底有哪些应用。

其实我们在自动驾驶领域的应用，主要可以分为四大块。第一块，就是粘接，这一块的应用主要针对的是摄像头上的一些粘接胶，这类胶水能配合AA主动对位的工艺来使用。第二块的应用是保护，这里会涉及到好几个应用点。首先，第一个应用点是主要用于BGA封装形式的芯片与线路板之间的间隙，通过填充对芯片的焊点进行保护，这里面主要用到的技术是底部填充材料。第二个应用点是密封，比如说针对毫米波雷达，我们有针对模块的壳体密封应用。第三个应用点是电磁屏蔽材料，比如说毫米波雷达会用到一些电子屏蔽的材料，我们有一系列不同种类的电子屏蔽材料，可以提供毫米波雷达来使用。

第三大块应用是关于导热材料，这一块相对比较容易理解，主要是针对一些高功率的电子元器件使用的材料。通过导热材料传导热量，来提高电子元器件的散热效率。我们能提供的材料主要有液态填缝材料，也有固态垫片材料。第四个就是电气连接，主要用到的材料是锡膏，当然如果有更高可靠性要求的需求，也可以考虑使用导电胶。

这四大块的应用组成了汉高在自动驾驶领域整体的解决方案。

下面我想花一些时间，来给大家介绍几个关键的技术。

首先，我想介绍的是关于自动驾驶行业带来的第一个挑战，稳。

我们知道，对于中国车辆行驶的道路路况来说，相对来说是比较复杂的，往往伴随有一些泥泞的或者颠簸的道路，这个对我们的传感器也好，数据模块也好，都会有一个比较大的挑战，就是长期处于一个振动的环境下来进行工作。如何确保传感器和数据模块能够正常稳定地来工作，来实现安全的驾驶呢？这个时候汉高就有一个很好的解决方案Underfill，也就是底部填充材料。

什么是底部填充材料？简单来说，它主要是以一个环氧树脂为基础的热固性材料，通过自发流动的方式填充芯片与线路板之间的间隙，加热固化后起到对整体加固、提高焊点可靠性的作用。

Undefill的使用一般在锡膏回流后，需要加热固化。一般粘度较低，通过毛细作用流入到芯片与线路板的间隙当中。

为什么要使用Undefill呢？我想法主要可以从三个方面来讲。首先是芯片封装形式的演化，随着芯片封装形式的演化，芯片的封装越来越小，导致锡球的间距也会越来越小，尺寸越来越小，导致单点锡球受到的应力会比大尺寸的锡球要大很多，这个时候我们就需要Undefill来提高锡球焊点的可靠性。第二点，我们可以从不同基材的热膨胀系数来看，器件本身不同基材的热膨胀系数有一定差异，在零下40—150度的工作环境当中，会产生热胀冷缩的应力拉扯，而且这个应力往往集中在焊点上，Undefill材料可以帮助电子元器件均匀分散这个应力。第三点，我们刚说道车辆行驶路况是比较复杂的，经常伴有长期的振动，我们的Undefill材料可以很好地帮助器件来抵抗这种振动的环境。

这里我们用慢速摄像头捕捉了带有BGA芯片的线路板在跌落实验的整个过程，大家可以先看左上角这张图，我们可以看到没有使用Undefill的情况下，芯片很容易就会从板上掉落下来。右边图中可以看到，我们使用了Undefill以后，芯片很难从线路板上掉下来。

这里是关于定性的Undefill能够起到提高可靠性的介绍，我们来看看定量测试的结果。

当使用Undefill以后，同样芯片的跌落测试表现比不使用Underfill将近提高了100倍。我们再来看看冷热冲击可靠性，这里使用的椒12*12mm的BGA芯片，我们通过测试接触阻抗来看焊点是否有被完好保护起来。在零下40—150度的温度环境当中，我们可以看到使用Undefill材料的芯片在经过4000个cycle冲击以后，没有发生任何阻抗的变化，也就是说焊点有被Underfill很好的保护起来。

说完为什么要使用Undefill，我们来看看如何使用Undefill。其实我们刚刚已经提到了，一般来说，Undefill的使用工艺是在锡膏回流工艺之后，当完成回流以后我们就可以开始Undefill的施胶了。施胶方式有两种，一种是Jetting喷涂的方式，还有一种是采用气压式单针头点胶的方式。相对来说我们比较推荐使用喷涂的方式，因为喷涂方式效率比较高，对精度的控制也比较好。在完成施胶以后，通过加热，我们可以固化Undefill材料，得到最终胡产品。

这边我们通过一个短的视频来看一下喷胶的实际工艺，首先激光探头会对芯片位置进行识别，然后通过“一字型”沿着芯片的一边快速喷胶。Underfill材料会通过毛细作用吸入芯片底部并流向另一侧，当我们通过分次施胶以后，Undefill的材料会流到芯片的对边，并且有少量溢出。当芯片四边都出现了Undefill的溢出以后，我们的施胶就完成了，就可以进行一个固化。

Undefill的材料在自动驾驶领域主要应用在哪个位置呢？我们可以看到，它可以用在一些PCB板上BGA芯片下面的焊点保护，也可以用在一些摄像头里的倒装芯片的焊点保护。

说完第一个挑战“稳”，我们再来看看第二个挑战“热”。

车辆在行驶过程中会受到太阳的暴晒，另外我们的设备运行中也会产生大量的热，这些会对我们设备的散热效率是一个很大的挑战。这个时候我们需要设备有一颗冷静的芯，汉高的导热界面材料能够解决这个问题。

说到导热界面材料，相信大家不会陌生。左下是一个散热元器件与heat sink的组装示意图，我们可以想像，从微观的角度来说，这两个散热器和散热元器件之间是有一些间隙的，这些间隙本身相当于空气，空气的热传导性是非常差的，基本上导热率只有0.025W mK 的水平，当我们使用了导热材料以后，它可以充分填充元器件与散热器之间的微孔隙以及表面凹凸不平的微孔洞，从而提高导热效率。

导热界面材料一般来说都是混合物体系，其中聚合物可以提供柔性，也可以提供粘接性，而导热填料提供导热性能。一般我们的导热材料能够做到1—12W导热系数的水平。

汉高在导热材料领域深耕多年，我们在2014年收购了全世界领先的供应商贝格斯，所以我们旗下有非常全的产品线。在自动驾驶层面，我们主要用的是Gap—Pad片状填缝材料和Gap—Filler液态填缝材料，这两种材料使用的时候本质上有一些差别。固态垫片一般是预切成型，做成设计的形状，供人工装配使用。而使用Gap—Filler的时候，一般是配合设备点胶使用的，比较适合大规模自动化的生产，另外它的灵活性比较高，比较适合精密的小型的汽车电子的应用场景。

说到导热界面材料的选择，我们要考虑到很多方面的性能，最重要的性能之一当然是导热系数。这里面有一个误区，大家觉得导热系数越高的材料导热性能是越好的。而跟实际应用相关的导热性能参数，我们更应该关注热阻这个性能，热阻会受到很多实际因素的影响，包括接触面积、材料厚度、受到的压力等等。只有我们选择一个材料具有比较合适的、低的热阻，我们才能确定最后这个应用选择的导热材料是具有比较好的导热效果的。除去导热这一块热相关的性能以外，我们还需要关注电学性能，毕竟我们的材料是用在电子电气的应用上面，比如材料的击穿电压、体积电阻率也是要考虑的因素。另外，从机械行为的角度，我们要考虑它的硬度、模量、间隙这些因素。假如选择的是相转变材料，还要考虑相转变温度。综合来说，要选择一个好的导热界面材料，有非常多的因素要考虑。

导热材料相对来说应用的场合就比较多了，在车载摄像头、数据模块和车载雷达上面，主要的应用都是一些大功率的功率元器件的散热需求。它是通过材料本身把功率元器件的热量传导到壳体或者散热器上来帮助散热。

讲完了“热”这个因素以后，我们最后再来看看“准”。

刚刚我们也提到了自动驾驶行业会用到很多的摄像头。现在有一个趋势是摄像头会越来越向着高清高分辨率的方向发展，要达到这样一个目标，势必要配合高精度的工艺制成，此时我们的NCA材料就会有一定的用武之地。

什么叫NCA材料？简单直译过来就是非导电胶粘剂。根据固化方式，我们的材料一般分为三大类，其中紫外+加热固化的产品目前来看是最适合AA主动对位工艺的产品。为什么要使用AA工艺呢？这里展示的是理想的摄像头应该所具有的状态，镜头的光路与芯片呈90度夹角，焦点正好落在芯片中心。然而在实际生产中，镜片安装时可能会有细微的偏转，芯片安装的时候，本身跟垂直面也可能有一定的偏差角度，这些会导致整个光路偏转，同时焦点无法落在芯片的中心，这个时候我们需要AA工艺主动对位的工艺来解决这个问题。我们可以通过微调镜筒和支架之间相对的位置，使得对焦的焦点和光路落在这个芯片平面中心上，通过软件对焦图像来确定最终的相对位置。这个视频展示了NCA配合AA工艺的过程，首先在粘接区域点胶，放置摄像头进行位置调整，同时通过软件对焦确认最佳位置，一旦位置确定，配合NCA固化的特性，通过UV光照射在3—5秒内即可完成固定，然后样件放入烘箱加热固化，使得NCA材料达到一个最高的可靠性。

汉高的NCA材料基本上都是按照汽车行业标准来开发的，首先要满足至少1000个小时以上的老化条件，同时我们也选取了严苛的冷热循环测试条件模拟汽车行驶的实际工况。

这个是我们一款高性价比的新的NCA材料，它有几个亮点，首先它具有很高的玻璃化转变温度，所以在实际使用的工作温度范围之内，我们能确保材料在整个温度范围里面热膨胀系数是稳定的，不会发生突变。另外，因为AA工艺涉及到有一个快速固定的过程，因此材料本身的固化收缩率会对最终对焦清晰度有直接的关系。这款材料能够做到收缩率在1.78%的水平，这个在行业里面相对来说是一个非常不错的数值。

除了材料本身的一些特性以外，我们还做了一系列的可靠性测试，这个是我们实验室做的一些用Dummy part来模拟摄像头零件的可靠性测试。

在装配完成以后，我们选取了双85高温高湿、零下55度—125度的冷热循环、零下40度到85度的冷热冲击作为老化条件，比较老化之后与老化前的粘接强度。对于高温高湿的老化结果来看，基本上材料在老化2000个小时以后，没有很明显的粘接强度的下降。这个是零下55—125度冷热循环的一个测试结果，零下40—85度冷热冲击的测试结果，可以看到粘接的材料强度都没有明显的下降，也就是说该材料能满足汽车行业的要求。事实上，这款材料也已经得到了多家Tier1的认证，并且有些项目已经进入到量产的阶段。

我要分享的内容就是这些，谢谢大家！

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