Determinar la fiabilidad y calidad de producción: el trabajo del Laboratorio de Semiconductores de Audi

«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

MadridActualizado:

Conducción autónoma, electrificación del tren de rodaje e incremento de la red de automóviles conectados entre sí y con las infraestructuras que les rodean: todas estas innovaciones están basadas en tecnologías de potentes semiconductores. Para determinar su idoneidad, fiabilidad y calidad de producción, Audi cuenta con un Laboratorio de Semiconductores único en la industria automovilística europea. «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».

El Laboratorio de Semiconductores de Audi cumple una importante función de interfaz como punto central para el análisis y la calidad de los semiconductores, así como de la tecnología de conexión y ensamblaje. Esto se aplica tanto para el interior de la compañía como en la relación con los socios externos de la industria y del campo de la investigación. Como centro de competencia, el Laboratorio de Semiconductores se ocupa del negocio transversal y de la evaluación interdisciplinaria de los componentes y montajes, así como de los procesos de fabricación y producción. Otra tarea clave es la calificación de los empleados en todas las áreas especializadas.

En una etapa temprana del proceso de desarrollo, los expertos del Laboratorio de Semiconductores 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.

Para determinar su idoneidad, fiabilidad y calidad de producción, Audi cuenta con un Laboratorio de Semiconductores único en la industria automovilística europea

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, las industria del automóvil debe recurrir cada vez más a tecnologías que marcan tendencia.

Electrificación

Audi 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), los empleados del Laboratorio de Semiconductores han 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.

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.

Los empleados del Laboratorio de Semiconductores se han estado preparando, desde 2014, para el que el primer uso del escáner láser en el nuevo A8 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.