“Más del 80% de todas las
innovaciones en los coches actuales han sido posibles gracias a la
microelectrónica”, explica Stefan Simon, experto en semiconductores en el
departamento de Garantía de Calidad de Audi. “En total, hoy en día un vehículo
incluye unos 8.000 semiconductores activos en hasta 100 unidades de control
interconectadas. Cada coche tiene más poder de computación que el primer cohete
enviado a la luna”.
En una etapa temprana del
proceso de desarrollo, los expertos comprueban los requisitos que un chip
semiconductor tiene que cumplir para su utilización en automóviles. Y estos
difieren claramente de los de otras aplicaciones. Mientras que la media de vida
de un teléfono móvil inteligente es de dos años, la de un coche es de alrededor
de quince. Además, el uso y las tensiones a las que está sometido un vehículo
no se pueden comparar con las que experimenta un smartphone. “Un semiconductor
debe estar diseñado y fabricado de forma distinta, para tener en cuenta la
variedad de temperaturas, de humedad y de vibraciones que suceden en un
automóvil”, declara el experto en semiconductores, Oliver Senftleben.
Los componentes se pueden
probar en el laboratorio para detectar los mecanismos de desgaste que pueden
suceder en un coche. Realizarlo en una cámara climática es una de esas pruebas.
Los análisis físicos se utilizan también para investigar cómo sucede ese envejecimiento
y las cualidades de producción. Entre otras cosas, el Laboratorio de
Semiconductores está equipado con una moderna máquina de rayos X y un
microscopio de escaneado con electrones. Para análisis especiales de chips
semiconductores, los expertos trabajan de forma muy estrecha con sus colegas
del Laboratorio de Ingeniería de Materiales, por ejemplo, en la preparación de
muestras usando el haz de iones concentrado (FIB), un microscopio electrónico
especial de escaneado que puede emplearse para examinar las unidades de control
de cara a posibles errores de serie y de proceso.
Digitalización
Las prioridades han cambiado
drásticamente en los últimos años. Aunque los conductores continúan comparando
las prestaciones de los vehículos a la vez que mantienen un ojo puesto en los
aspectos de diseño, también esperan nuevas tecnologías como la de los datos del
tráfico en tiempo real a través de Audi connect, así como la conexión sin
problemas de sus teléfonos móviles con el vehículo y los últimos sistemas de ayuda
a la conducción. Para cumplir con estos requisitos, la industria del automóvil
debe recurrir cada vez más a tecnologías que marcan tendencia. Anteriormente,
los componentes sólo se consideraban adecuados para el uso en la industria
automovilística después de varios años de utilización en productos electrónicos
de consumo.
Sin embargo, hoy en día
dichos componentes aparecen rápidamente en los vehículos. Para garantizar que
estos componentes electrónicos brinden el alto rendimiento deseado con los
altos estándares de calidad de Audi, el Laboratorio de Semiconductores realiza
tareas tales como la definición de requisitos y una evaluación tecnológica. Los
estándares que son habituales en el sector del consumo (de 0°C a 40°C) se
comparan con los estándares de la industria del automóvil (de -40°C a 125°C) y
se verifican los requisitos de vida útil. Por ejemplo, la aplicación Audi MMI
connect se puede utilizar para consultar el estado actual del vehículo, para
manejar el sistema de climatización interior o para verificar el estado de
carga de la batería en un Audi e-tron. Por lo tanto, el coche está
constantemente conectado y en comunicación con el entorno, lo que da como
resultado un tiempo de actividad significativamente mayor de componentes que
pueden estar activos durante unas 30.000 horas y más en el ciclo de vida de un
vehículo.
Iluminación
Los empleados del Laboratorio
de Semiconductores formaron parte del proceso de validación en varias etapas al
que fue sometida innovadora tecnología de iluminación OLED antes de su entrada
en la producción en serie. Este proceso comprendió desde la creación de
perfiles de implementación específicos para validar la tecnología básica y el
módulo OLED, hasta la prueba final completa de los pilotos traseros. Toda la
atención se centró en los aspectos específicos para su uso en el sector de la
automoción, por ejemplo, el desgaste debido a las influencias medioambientales
y el envejecimiento pasivo. La primera vez que se usaron los OLED en el sector
de la automoción fue necesaria la derivación y revisión de parámetros
específicos de esta tecnología. El Laboratorio de Semiconductores de Audi,
junto con el departamento de Desarrollo Técnico, llevó a cabo una evaluación
tecnológica completa para cada aplicación durante la fase previa al desarrollo.
Se identificaron y corrigieron los puntos débiles de la tecnología y los del
proceso de fabricación. Estos requisitos específicos para la tecnología OLED se
han definido para proyectos futuros y se han establecido como estándar.
Electrificación
La marca está impulsando la
electrificación de sus sistemas de transmisión en distintos frentes, al tiempo
que desarrolla conceptos de movilidad sostenible. La energía eléctrica está en
el corazón de cada vehículo electrificado. Su núcleo está formado por el módulo
inversor de corriente: desde el punto de vista tecnológico, este es uno de los
componentes más exigentes. Este módulo convierte la corriente continua de la
batería de alto voltaje en corriente alterna trifásica para alimentar al motor
eléctrico. Los semiconductores de alto rendimiento que hay dentro del inversor
de corriente tienen un área superficial de alrededor de 1 cm2. Cada uno de
ellos debe conmutar una corriente de más de 100 amperios a una frecuencia de 10
kHz. A pesar de la eficiente refrigeración, las pérdidas de potencia en el chip
conducen a un rápido desgaste de las conexiones de contacto eléctrico.
Empezando con el Audi Q5
hybrid quattro (2011), después con el Audi Q7 e-tron quattro y ahora con el
nuevo Audi e-tron completamente eléctrico (2018), se ha respaldado y
garantizado la progresión del desarrollo tecnológico de la energía eléctrica.
En su trabajo se incluye la evaluación de las conexiones tecnológicas entre los
chips individuales y los disipadores de calor y, posteriormente, asegurar las
conexiones térmicas necesarias. Para ello se centraron, sobre todo, en las
especificidades del proceso del que forman parte todas las tecnologías
individuales. Entre ellas, la soldadura, la unión de cables y las tecnologías
de montaje y conexión. Los resultados fueron de vital importancia para la
creación de una norma, que se convirtió parcialmente en un estándar industrial
alemán en 2017.
Para permitir un
pronóstico de vida útil fiable de cada conexión individual durante la
producción, la firma se ha unido a socios de la industria y del campo de la
investigación en el proyecto conjunto RoBE (Robustness for Bonds in E-Vehicles
o Robustez para las Conexiones en los Vehículos Eléctricos). El objetivo es, al
menos, duplicar la vida de las conexiones respecto a la típica de la
electrónica de consumo. El proyecto, que también incluye a los institutos de
investigación Fraunhofer IZM y Fraunhofer ILT, se esfuerza por una comprensión
más profunda de las variables y de la mecatrónica de la tecnología de
conexiones. Se están desarrollando técnicas de producción alternativas, como la
soldadura por rayo láser, y se investiga en nuevos materiales de conexión para
superar los límites del proceso actual.
Conducción Autónoma
El nuevo Audi A8 es el primer
automóvil de producción en serie del mundo diseñado para una conducción
autónoma de Nivel 3, de acuerdo con los estándares internacionales. Para ello,
además de los sensores de radar, de una cámara frontal y de los sensores
ultrasónicos, Audi es el primer fabricante de automóviles que también utiliza
un escáner láser.
El escáner amplía el
campo de visión del radar de largo alcance desde un ángulo de 35 grados hasta
otro más amplio, de 145 grados. Gracias a ello, en el futuro el vehículo podrá
identificar a otros usuarios de la carretera e interpretar su comportamiento
(por ejemplo, los movimientos dentro y fuera del carril) con mucha más
anticipación. “Se puede pensar en el escáner láser como un haz de luz que
escanea el entorno del automóvil en fracciones de segundo”, comenta Robert
Kraus, experto en tecnologías de producción del Laboratorio de Semiconductores.
Un espejo que gira rápidamente dentro de su compacta carcasa dirige el potente
haz del diodo láser a lo largo del área que se va a escanear. El nuevo escáner
láser no sólo detecta obstáculos, sino que también puede determinar la
distancia exacta a ellos. Lo hace midiendo el tiempo transcurrido entre la
emisión de un impulso láser y su detección en el fotodiodo.
Desde 2014 se ha venido trabajando para que el primer uso
del escáner láser fuera un éxito. En colaboración con el departamento de
Desarrollo Técnico, definieron especificaciones y requisitos integrales de la
pieza y sus componentes individuales. Antes de ser utilizado por primera vez en
la rama automovilística, y después de haberse usado en electrónica de consumo,
el diodo láser fue sometido a numerosas pruebas de fiabilidad y a análisis
detallados como parte de complejos ensayos de laboratorio. Sobre la base de
estos resultados, se realizaron optimizaciones en el proceso de fabricación de
diodos para cumplir con los requisitos de calidad necesarios.
Foto: Audi.
