Belangrijkste PCB-ontwerprincipes voor automotieve elektronica

Elektronische elementen spelen een toenemend actieve rol in voertuigen. Op dit moment bevat een topvoertuig meer dan 200 elektronische controle-eenheden, waarvan sommige sensoren en processors zijn die in de auto-cockpit worden toegepast. Het kan geconcludeerd worden dat de waarde van elektronische producten die voor auto's dienen, ligt in dynamisch systeem, carrosserie en chassis, en de meerderheid van hen heeft betrekking op digitaal vermogen.

Toepassing van elektronische systemen in auto's heeft als doel de auto-prestaties te verhogen, wat drie aspecten dekt:
a. Omgevingsverbetering verwijst naar brandstofbesparing, uitlaatgasreductie, brandstoftransformatie van benzine, aardgas, biobrandstof naar hybride en zuivere kracht. Elektrische voertuigen zijn dus een strategische richting voor de auto-industrie geworden.
b. Veiligheidsverbetering ligt in verkeersongelukreductie, variërend van airbag, radarmonitoring, stereocamera, infraroodmonitoring en automatische vermijding tot autonomous rijden. Op dit moment trekken autonome voertuigen de meeste aandacht en investeringen.
c. Gemak en comfort is over het algemeen geworteld in audio, videodisplay, airconditioner, computer, mobiele communicatie, internet, navigatie en elektronische tolheffing voor overwegingen van gemak en humanisering.

Als ruggengraat van elektronische apparaten, moeten PCB's (Printed Circuit Boards) die voor auto's worden toegepast, aan de bovenstaande eisen ook voldoen.

Fundamentele eisen voor automotieve PCB's

Kwaliteitsborgingsvereiste

Een basisvereiste voor lange-termijn kwaliteitsborging voor fabrikanten of distributeurs ligt in een solid kwaliteitsmanagementsysteem, namelijk ISO9001 vanuit internationaal perspectief. Vanwege de particulariteit van de auto-industrie, stelden drie toonaangevende auto-fabrikanten uit Noord-Amerika in 1994 een kwaliteitsmanagementsysteem op uniek voor de auto-industrie, namelijk QS9000. Aan het begin van de 21^ste eeuw werd een nieuw kwaliteitsadministratiesysteem gepubliceerd door wereldwijde auto-fabrikanten op basis van ISO9001-regels, namelijk ISO/TS16949.

Als technische voorschriften voor de auto-industrie over de hele wereld, integreert ISO/TS16949 speciale eisen voor de auto-industrie en focust op defectpreventie, kwaliteitsschommeling en afvalreductie in de leverancierketen van auto-onderdelen.

Daarom is het eerste certificaat dat automotieve PCB-fabrikanten moeten behalen, ISO/TS16949, vóór hun echte toetreding tot de automarkt.

Basiseis op prestaties

a. Hoge betrouwbaarheid

Automotieve betrouwbaarheid komt voornamelijk in 2 aspecten: de ene is levensduur waarin controle-eenheden en elektronische componenten normaal werken, terwijl de andere omgevingsweerstand is, wat automotieve controle-eenheden en elektronische componenten toestaat om uitstekend te presteren in extreme omgeving.

De gemiddelde levensduur van auto's is 10 tot 12 jaar, gedurende welke alleen componenten of kwetsbare onderdelen vervangen kunnen worden. Met andere woorden: elektronisch systeem en PCB's moeten zo'n dienstjaar hebben als die van auto's.

Voertuigen neigen ertoe te worden beïnvloed door klimaat en omgeving tijdens toepassing, variërend van vriezende kou, extreme hitte, langdurige zon en regen. Naast die, moeten ze leiden onder omgevingsveranderingen door warmte gegenereerd door werkende elektronische componenten en systemen. Zo ook automotieve elektronische systemen en PCB's. Automotieve elektronische systemen moeten de volgende hardheden in de omgeving verslaan, inclusief temperatuur, vocht, regen, zoutrook, trilling, elektromagnetische interferentie (EMI) en stroompieken.

b. Licht gewicht en miniaturisatie

Licht gewicht en miniaturisatie zijn gunstig voor brandstofbesparing, wat voortvloeit uit licht gewicht en miniaturisatie van elk component en printplaat. Bijvoorbeeld: het volume van automotief-toegepaste ECU (Electronic Control Unit) was 1.200 cm³ aan het begin van de 21^ste eeuw, terwijl dat minstens vier keer is ingekrongen. Licht gewicht en miniaturisatie van PCB's afkomstig van dichtheidsverbetering, oppervlaktereductie, dunheid en meervoudige lagen.

Prestatie-eigenschappen van automotieve PCB's

Meerdere typen

Als combinaties van mechanische en elektronische apparaten, integreren moderne voertuigtechnologieën traditionele technieken en up-to-date wetenschappelijke technologieën. Verschillende onderdelen zijn afhankelijk van elektronische apparaten met verschillende functies, wat leidt tot toepassingen van PCB's met verschillende missies.

Op basis van onderscheid in substraatmateriaal van PCB's voor auto's, kunnen ze worden geclassificeerd in anorganische keramische-gebaseerde PCB's en organische hars-gebaseerde PCB's. De leidende eigenschap van keramische-gebaseerde PCB's is hoge hittebestendigheid en uitstekende dimensionale stabiliteit, toepasbaar voor motorsysteem in hoog-thermische omgeving. Toch hebben keramische-gebaseerde PCB's slechte fabricagebaarheid, wat leidt tot hoge kosten van printplaten. Met de ontwikkeling van nieuw-ontwikkelde hars-substraat met verhoogde hittebestendigheid, worden hars-gebaseerde PCB's meestal toegepast in de meerderheid van moderne voertuigen.

Een algemene regel wordt gevolgd: PCB's die substraatmaterialen met verschillende prestaties gebruiken, worden in verschillende secties van een voertuig toegepast, verantwoordelijk voor implementatie van verschillende functies. De volgende tabel toont PCB-type compatibel met deel van voertuigapparaten of instrumenten.

Voertuigapparaten	PCB-typen
Snelheidsmeter; airconditioning	Enkel/dubbele-laag PCB Enkel/dubbele-laag flexibele PCB
Autoradio; monitor	Dubbele-laag PCB Meervoudige-laag PCB Flexibele PCB
Automotieve communicatieapparaten; draadloze locatieapparaten; beveiligingssysteem	Meervoudige-laag PCB HDI PCB Flexibele PCB
Motorsysteem; krachttransmissie-controlesysteem	Metaalkern-PCB Star-flex PCB
Voertuig-stuurcontroller; navigatieapparaat	Ingebedde PCB

Betrouwbaarheidseis op PCB's in verschillende voertuigsecties

Als een type vervoermiddel betreffende openbare veiligheid, behoren auto's tot een reeks producten met hoge betrouwbaarheid. Naast gewone afmetingen, uiterlijk en prestatie-eisen op mechanica en elektronica, moet een reeks tests betreffende betrouwbaarheid op hen worden geïmplementeerd.

a. Thermische cyclustest (TCT)

5 niveaus worden ingesteld in overeenstemming met verschillende secties van een voertuig. Onderstaande tabel vat thermische cyclustemperaturen voor PCB's op diverse voertuigsecties samen:

Voertuigsectie	Niveau	Lage temperatuur	Hoge temperatuur
Binnen voertuigcarrosserie	A	-40°C	85°C
Onder voertuigchassis	B	-40°C	125°C
Boven motor	C	-40°C	145°C
Transmissie-onderdelen	D	-40°C	155°C
Binnen motor	E	-40°C	165°C

b. Thermische schoktest (TST)

Het is redelijk normaal dat automotieve PCB's in extreme hittestomgeving worden toegepast, wat vooral uitdagend is voor zware-koper PCB's, aangezien ze zowel externe warmte als warmte voortvloeiend uit hun eigen lichamen moeten ondervinden. Dus, hogere eis wordt gesteld aan hittebestendigheid van automotieve PCB's.

Om deel te nemen aan thermische schoktest, moeten automotieve PCB's in soldeerpasta met hoge temperatuur van 260°C of 288°C gedoopt worden voor 10 seconden, drie keer, waarna gekwalificeerde PCB's geen problemen vertonen zoals delaminatie, bulten of koperkraken. Tegenwoordig is loodvrij solderen gebruikt in PCB-assemblage met relatief hoge solder-temperatuur, wat meer noodzaak toevoegt aan thermische schoktest.

c. Temperatuur-vocht-bias (THB) test

Automotieve PCB's moeten door talrijke en dynamische omgevingen gaan, inclusief regentachtige dagen en vochtige omgeving, wat het noodzakelijk maakt om THB-test uit te voeren, die ook in staat is om PCB CAF (Conductive Anodic Filament) mobiliteit te inspecteren. CAF treedt precies op in de volgende situaties: tussen aangrenzende via's op printplaat, aangrenzende via's en draden, aangrenzende draden en aangrenzende lagen. Isolatie in die situaties daalt of leidt zelfs tot kortsluitingen. Isolatiewerstand moet worden bepaald door afstand tussen via's, draden en lagen.

Fabricagekenmerken van automotieve PCB's

Hoogfrequente PCB's

Vergelijkbaar met militair radar, als near-field radar, is automotieve anti-botsing of voorspellende noodrem-systeem afhankelijk van PCB's om microgolf hoogfrequente signalen te transmitteren. Daarom worden substraatmaterialen met lage dielektrische verlies voorgesteld, met PTFE (polytetrafluoroetheen) normaal toegepast. Verschillend van gewone FR-4 als substraatmaterialen, roept PTFE of vergelijkbare hoogfrequente materialen natuurlijk afwijkende fabricagebaarheid op. Bijvoorbeeld: speciale boorsnelheid is vereist in het proces van via-boren.

Zware-koper PCB's

Voertuigen neigen ertoe meer warmte te genereren door hun hoge elektronische dichtheid en vermogen. Met het aantal hybride en volledig elektrische voertuigen stijgend, worden geavanceerde krachttransmissiesystemen gevraagd, wat hoge eisen drijft voor warmteafvoer-capaciteit en grotere stroom. Om dat te bereiken, moet de dikte van koper in PCB verhoogd worden of koperleidingen en metaal in meervoudige PCB's ingesloten worden.

Het is gemakkelijk om zware-koper dubbele-laag PCB's te fabriceren, terwijl het redelijk moeilijk is om zware-koper meervoudige-laag PCB's te fabriceren. Het sleutelpunt ligt in zware-koper graphics etsen en zware-koper gat vullen.

Binnenste schakeling van zware-koper meervoudige-laag PCB's is zware-koper. Daarna vereist graphics-overdracht zware film met extreem hoge corrosieweerstand. Ets-tijd moet lang genoeg zijn en ets-apparaat en technische toestand moeten in een optimale toestand blijven om uitstekende schakelingen van zware-koper te garanderen.

Omdat er een groot verschil is tussen binnenste geleider en isolator substraatmateriaal-oppervlak en gewone meervoudige-laag PCB stack-up faalt om hars volledig te vullen, wat de generatie van kaviteiten veroorzaakt, wordt dunne prepreg voorgesteld met een hoge hoeveelheid hars. Sommige meervoudige-laag PCB's bevatten binnenste schakeling met verschillende koperdikte, zodat verschillende prepreg voor gebieden met grote onderscheiding en kleine onderscheiding kunnen worden gebruikt.

Component inbedding

Ingebedde component PCB's werden eerst toegepast in mobiele telefoons om assemblagedichtheid te verhogen en de algehele productgrootte te verkleinen, wat essentieel belangrijk is voor andere elektronische producten ook. Daarom wordt inbeddingstechnologie gebruikt in automotieve elektronische apparaten.

Op basis van component-inbeddingsmethoden, zijn er veel ingebedde PCB-fabricageopties:
a. Groef wordt eerst gefreesd, daarna SMD's gemonteerd door golf-solderen of conductieve pasta.
b. Dun-film SMD's worden eerst gemonteerd op binnenste schakelingen door golf-solderen.
c. Dik-film componenten worden geprint op keramische basis.
d. SMD's worden gemonteerd door golf-solderen en daarna wordt hars gebruikt voor verpakking. Dit type ingebedde PCB's is meer compatibel met eisen van voertuigen zoals hittebestendigheid, vochtbestendigheid en anti-schok, met hoge betrouwbaarheid.

HDI-technologie

Vergelijkbaar met smartphones of tabletcomputers wat betreft functies van entertainment en communicatie, vragen voertuigen ook om HDI-PCB's. Als resultaat moeten microvia-boren, electroplating en interconnectietechnologieën in automotieve PCB's worden toegepast.

Automotieve PCB-ontwerpoverwegingen

Spoel-oriëntaties

Wanneer twee spoelen (of zelfs twee PCB-draden) dicht bij elkaar komen, wordt inductie gegenereerd. Magnetisch veld gecreëerd door stroom in één schakeling (Schakeling A) zal daarna stroom in de andere schakeling (Schakeling B) drijven. Dit proces is vergelijkbaar met wederzijdse effect tussen transformator primaire en secundaire spoelen. Wanneer twee stromen met elkaar interacteren via magnetisch veld, wordt gegenereerde spanning bepaald door wederzijdse inductie (L_M): . In deze formule is Y_B de foutspanning ingevoerd in Schakeling B, terwijl L_A de stroom door Schakeling A is. L_M is zeer gevoelig voor schakelingsafstand, inductielusoppervlakte en lusrichting.

Daarom kan een optimale methode om alle spoelen in een schakeling te regelen, bereikt worden door compacte schakeling-layout en koppelingsbalansreductie.

Verdeling van wederzijdse inductie is gerelateerd aan spoel-uitlijning. Daarom maakt richtingswijziging van Schakeling B de stroomlus ervan parallel aan magnetische lijnen van Schakeling A. Om dat te bereiken, moeten spoelen verticaal worden gerangschikt, wat gunstig is voor wederzijdse inductie-reductie.

Spoel-layout-regels voor automotieve PCB's:
a. Spoel-afstand moet zo groot mogelijk zijn;
b. Spoel-uitlijning moet als rechte hoeken worden ingesteld, zodat overspraak tussen hen geminimaliseerd wordt.

Leiding-koppeling

Vergelijkbaar met spoel-uitlijning die magnetisch veld-koppeling beïnvloedt, als leidingen dicht bij elkaar liggen, wordt koppeling ook beïnvloed en wederzijdse inductie kan mogelijk worden gegenereerd. Het leidende probleem in RF-schakeling ligt in gevoelige component-layout zoals input-matching-netwerk, resonantie-kanaal van ontvanger en antenne-matching-netwerk van zender.

Terugkeerstroom-pad moet zo dicht mogelijk bij hoofdstroom-pad liggen met stralingsveld geminimaliseerd, wat gunstig is voor stroomlusoppervlakte-reductie. Optimale lage-impedantie-pad is normaliter massa-gebied onder leidingen, dat wil zeggen, lusoppervlakte wordt effectief beperkt tot het gebied met dielektrische dikte maal leidinglengte. Als massa-gebied gesplitst is, zal lusoppervlakte vergroot worden. Voor leidingen die gesplitst gebied kruisen, zal terugkeerstroom gedwongen worden om hoog-impedantie-pad te volgen, wat de stroomlusoppervlakte aanzienlijk vergroot. Dit type layout maakt de schakeling ook toegankelijk voor wederzijdse inductie.

Kortom: geïntegreerde massa moet zoveel mogelijk onder leidingen gewaarborgd worden, aangezien geïntegreerd massa-gebied gunstig is voor schakeling-prestatieverbetering.

Massa-doorboorgat

Het hoofdprobleem dat RF-schakeling moet oplossen, ligt doorgaans in slechte karakteristieke impedantie van schakelingen, inclusief elektronische componenten en interconnectie. Koperlaag met lage dikte is equivalent aan inductiedraad. Bovendien kan verdeelde capaciteit worden gevormd door de combinatie tussen koperlaag en aangrenzende leidingen. Als leidingen door doorboorgaten gaan, zullen inductie- en capaciteitskarakteristieken ook getoond worden.

Doorboorgat-capaciteit komt voornamelijk voort uit capaciteit tussen koper aan doorboorgat-pad-rand en bodemkoper. Een ander element dat doorboorgat-capaciteit beïnvloedt, is cilinder van metaal doorboorgaten. Parasitaire capaciteit beïnvloedt weinig, aangezien het meestal alleen leidt tot lage signaalfank van high-speed digitale signalen.

Het grootste effect van doorboorgaten is de corresponderende parasitaire inductie gewekt door interconnectie. Omdat de meerderheid van metaal doorboorgaten dezelfde dimensie heeft als die van geïntegreerde componenten in RF-PCB-ontwerp, kan deze formule worden gebruikt om het effect van doorboorgat te schatten: . In deze formule is L_VIA de geïntegreerde inductie van doorboorgaten; h verwijst naar via-hoogte met inch als eenheid; d verwijst naar via-diameter met inch als eenheid.

Als resultaat moet schakeling-layout voldoen aan de volgende principes:
a. Inductie-module moet worden ingesteld voor doorboorgaten in gevoelig gebied;
b. Filter of matching-netwerk is afhankelijk van onafhankelijke doorboorgaten;
c. Dunner PCB-koper vermindert het effect van doorboorgat-parasitaire inductie.

Massa en vullen

Massa- of voedingsvlak definieert een gemeenschappelijke referentiespanning die stroom levert aan alle componenten in het systeem door lage-impedantie-pad. Op basis van dat schema, kunnen alle elektrische velden gebalanceerd worden met uitstekende afschermingsschema gegenereerd.

Directe stroom vloeit altijd door lage-impedantie-pad. Op dezelfde manier is hoogfrequente stroom ook een pad dat door de laagste impedantie vloeit op de eerste minuut. Daarom, voor standaard PCB-leidingen boven massavlak, probeert terugkeerstroom in het massa-gebied recht onder leidingen te vloeien. Daarna wekt gesplitst massa-gebied allerlei ruis op, wat verder de overspraak vergroot door magnetische veldkoppeling of stroomaccumutatie. Als resultaat, moet massa-integriteit zoveel mogelijk gewaarborgd worden, of terugkeerstroom zal overspraak drijven.

Daarnaast wordt vulmassa, ook beschermingsdraad genoemd, meestal toegepast voor ontwerp van schakelingen die gebieden bevatten waar continue massa moeilijk te regelen is of die afscherming van gevoelige schakelingen vereist. Massa-doorboorgaten kunnen aan terminalen van draden of langs de draden worden gepositioneerd om afschermingseffect te verhogen. Beschermingsdraden mogen niet gemengd worden met leidingen ontworpen om terugkeerstroom-pad te leveren, wat overspraak teweeg zal brengen.

Wanneer koperoppervlak niet met massa verbonden is of op één terminal met massa verbonden, zal de geldigheid ervan afnemen. In sommige gevallen zal parasitaire capaciteit worden gegenereerd met omringende impedantie gewijzigd of potentieel-pad gevormd tussen schakelingen, wat dus slecht effect leidt. Eenvoudig gezegd: als koper op het bord moet worden gerangschikt, moet dezelfde electroplating-dikte worden behouden.

Ten slotte moet massa-gebied nabij antenne in overweging genomen worden. Elke monopole beschouwt massa-gebied, routing en doorboorgat als een sectie van systeembalans en niet-ideale gebalanceerde routing zal stralingsefficiëntie en richting van antenne beïnvloeden. Daarom mag massa-gebied niet direct recht onder monopole-antenne van een printplaat worden geplaatst.

Samenvattend, de volgende ontwerprincipes moeten worden gevolgd wat betreft massa en vullen:
a. Continu massa-gebied met lage impedantie moet zoveel mogelijk worden geboden;
b. Twee terminalen van vuldraden moeten met de massa verbonden worden met doorboorgat-array toegepast;
c. Koperbeklede lijnen moeten met de massa verbonden worden nabij schakeling waarom koperbekledingen niet nodig zijn. Wat printplaten met meervoudige lagen betreft, moet een massa-doorboorgat worden gerangschikt als signaallijnen van de ene kant naar de andere worden overgedragen.

Concluderend, automotieve PCB-ontwerpprincipes kunnen worden samengevat in de volgende tabel:

Spoel-layout	• Spoel-afstand zo groot mogelijk; • Spoel-uitlijning als rechte hoeken;
Geïntegreerde massa	• Geïntegreerde massa onder leidingen regelen;
Doorboorgaten	• Inductie-module voor doorboorgaten in gevoelig gebied; • Filter/matching-netwerk op onafhankelijke doorboorgaten; • Dunner PCB-koper vermindert doorboorgat-parasitaire inductie;
Massa en vullen	• Continue massa met lage impedantie bieden; • Terminalen van vuldraden aan massa met doorboorgat-array; • Koperlijnen aan massa verbinden;

Artikel geschreven door PCBCart-redacteur Dora Yang, eerst gepubliceerd in Bodo's Power System Magazine augustus-uitgave, 2017.

U bent misschien ook geïnteresseerd in de volgende artikelen:
• Eigenschappen van flex-rigid PCB gebruikt voor auto's
• 5 tips voor automotief schakeling-ontwerp om EMI te verslaan
• SMT-solderbetrouwbaarheidsonderzoek gebaseerd op schakelmodule in automotieve elektronische industrie
• 5 bewezen manieren om betrouwbaarheid van automotieve PCB-fabrikanten te beoordelen
• Hoe een automotieve HDI-PCB-fabrikant te evalueren