Ключевые принципы проектирования печатных плат для автомобильной электроники

Электронные элементы играют все более активную роль в автомобилях. В настоящее время топовый автомобиль содержит более 200 электронных блоков управления, некоторые из них — датчики и процессоры, применяемые в кабине автомобиля. Можно заключить, что ценность электронных изделий, служащих для автомобилей, лежит в динамической системе, кузове и шасси, и большинство из них связаны с цифровой мощностью.

Применение электронных систем в автомобилях направлено на повышение автопроизводительности, охватывая три аспекта:
a. Улучшение окружающей среды относится к экономии топлива, снижению выхлопных газов, трансформации топлива от бензина, природного газа, биотоплива к гибридной мощности и чистой мощности. Электромобили, таким образом, стали стратегическим направлением для автомобильной промышленности.
b. Повышение безопасности лежит в снижении дорожно-транспортных происшествий, от подушки безопасности, радарного мониторинга, стереокамеры, инфракрасного мониторинга и автоматического избегания до автономного вождения. В настоящее время автономные транспортные средства привлекают большинство внимания и инвестиций.
c. Удобство и комфорт обычно укоренены в аудио, видео дисплее, кондиционере, компьютере, мобильной связи, интернете, навигации и электронном сборе платы за проезд для соображений удобства и гуманизации.

Как основа электронных устройств, печатные платы (PCB), применяемые для автомобилей, должны соответствовать перечисленным выше требованиям.

Фундаментальные требования к автомобильным печатным платам

• Требование к обеспечению качества

Базовое требование долгосрочного обеспечения качества для производителей или дистрибьюторов лежит в надежной системе управления качеством, то есть ISO9001 с международной перспективы. Из-за особенности автомобильной промышленности три ведущих автомобильных производителя из Северной Америки совместно создали систему управления качеством в 1994 году уникально для автомобильной промышленности, то есть QS9000. В начале 21 века новая система администрирования качества была опубликована мировыми автомобильными производителями на основе регуляций ISO9001, то есть ISO/TS16949.

Как технические регуляции для автомобильной промышленности по всему миру, ISO/TS16949 интегрирует специальные требования для автомобильной промышленности и фокусируется на предотвращении дефектов, колебаниях качества и снижении отходов в цепочке поставок автомобильных компонентов.

Следовательно, первый сертификат, который должны достичь производители автомобильных печатных плат, — это ISO/TS16949 перед их настоящим входом в авторынок.

• Базовое требование к производительности

a. Высокая надежность

Автомобильная надежность основно приходит в 2 аспекта: один — срок службы, в течение которого блоки управления и электронные компоненты нормально работают, тогда как другой — экологическая устойчивость, позволяющая автомобильным блокам управления и электронным компонентам отлично вести себя в экстремальной среде.

Средний срок службы автомобилей составляет 10-12 лет, в течение которых только компоненты или уязвимые части могут быть заменены. Другими словами, электронная система и печатные платы должны обладать таким сроком службы, как у автомобилей.

Транспортные средства склонны быть затронуты климатом и средой в процессе применения, от ледяного холода, экстремального тепла и длительного сияния и дождя. Помимо тех, они должны страдать от экологических изменений, приведенных теплом, генерируемым из-за работающих электронных компонентов и систем. То же самое с автомобильными электронными системами и печатными платами. Автомобильные электронные системы должны побеждать следующую суровость в среде, включая температуру, влажность, дождь, кислотный дым, вибрацию, электромагнитные помехи (ЭМИ) и скачок тока.

b. Легкий вес и миниатюризация

Легкий вес и миниатюризация благоприятны для экономии топлива, что результатом легкого веса и миниатюризации каждого компонента и печатной платы. Например, объем автомобильного ECU (Electronic Control Unit) составлял 1200 см³ в начале 21 века, в то время как он был сокращен как минимум в четыре раза. Легкий вес и миниатюризация печатных плат происходят от улучшения плотности, уменьшения площади, тонкости и множественных слоев.

Производительные свойства автомобильных печатных плат

• Множественные типы

Как комбинации механических и электронных устройств, современные автомобильные технологии интегрируют традиционные техники и актуальные научные технологии. Разные части зависят от электронных устройств с разными функциями, приводя к применению печатных плат с разными миссиями.

На основе различия в плане материала подложки печатных плат для автомобилей, они могут быть классифицированы на неорганические керамические печатные платы и органические смоляные печатные платы. Ведущее свойство керамических печатных плат — высокая теплостойкость и отличная размерная стабильность, применимые для двигательной системы в высокотемпературной среде. Тем не менее, керамические печатные платы обладают плохой технологичностью, приводя к высокой стоимости печатных плат. С развитием новорразработанной смоляной подложки с повышенной теплостойкостью, смоляные печатные платы в основном применяются в большинстве современных автомобилей.

Одно общее правило соблюдается: печатные платы, использующие материалы подложки с разными характеристиками, применяются в разных секциях автомобиля, ответственные для реализации разных функций. Следующая таблица демонстрирует тип печатной платы, совместимый с частью автомобильных устройств или приборов.

Автомобильные устройства	Типы печатных плат
Спидометр; кондиционер	Одно/двухслойная печатная плата Одно/двухслойная гибкая печатная плата
Автомагнитола; монитор	Двухслойная печатная плата Многослойная печатная плата Гибкая печатная плата
Автомобильные коммуникационные устройства; беспроводные приборы локализации; система контроля безопасности	Многослойная печатная плата HDI печатная плата Гибкая печатная плата
Двигательная система; система управления трансмиссией	Печатная плата с металлическим ядром Жестко-гибкая печатная плата
Автомобильный контроллер мощности; навигационное устройство	Встраиваемая печатная плата

• Требование надежности к печатным платам в разных секциях автомобиля

Как тип транспортного средства, касающегося общественной безопасности, автомобили принадлежат к диапазону продуктов с высокой надежностью. Помимо обычных размеров, внешнего вида и требований к производительности механики и электроники, серия тестов надежности должна быть реализована на них.

a. Тест термического циклирования (TCT)

5 уровней устанавливаются в соответствии с разными секциями автомобиля. Ниже таблица суммирует температуры термического циклирования для печатных плат на разных секциях автомобиля:

Секция автомобиля	Уровень	Низкая температура	Высокая температура
Внутри кузова автомобиля	A	-40°C	85°C
Под шасси автомобиля	B	-40°C	125°C
Над двигателем	C	-40°C	145°C
Детали трансмиссии	D	-40°C	155°C
Внутри двигателя	E	-40°C	165°C

b. Тест термического шока (TST)

Довольно нормально, что автомобильные печатные платы применяются в экстремальной тепловой среде, что особенно вызывает вызов для печатных плат с толстой медью, поскольку они должны страдать и от внешнего тепла, и от тепла, результата от их собственных тел. Таким образом, более высокое требование вызывается к теплостойкости автомобильных печатных плат.

Для участия в тесте термического шока, автомобильные печатные платы должны быть погружены в паяльную пасту с высокой температурой 260°C или 288°C на 10 секунд три раза, после чего квалифицированные печатные платы не имеют проблем, таких как ламинирование, бугры или трещины меди. В настоящее время безсвинцовая пайка используется в сборке печатных плат с относительно высокой температурой пайки, что добавляет больше необходимости в тесте термического шока.

c. Тест смещения температуры-влажности (THB)

Автомобильные печатные платы должны пройти через многочисленные и динамичные окружения, включая дождливые дни и влажную среду, что делает необходимым проведение THB теста, который также способен инспектировать подвижность CAF (Conductive Anodic Filament — проводимый анодный филамент) печатных плат. CAF просто происходит в следующих ситуациях: между смежными виа на печатной плате, смежными виа и проводами, смежными проводами и смежными слоями. Изоляционность в тех ситуациях снижается или даже приводит к коротким замыканиям. Изоляционное сопротивление должно определяться расстоянием между виа, проводами и слоями.

Производственные особенности автомобильных печатных плат

• Высокочастотные печатные платы

Похоже на военный радар, как ближний радар, автомобильная система анти-столкновения или предиктивного экстренного торможения зависит от печатных плат для передачи микроволновых высокочастотных сигналов. Таким образом, предлагаются материалы подложки с низкими диэлектрическими потерями, с PTFE (политетрафторэтилен), обычно применяемым. Отличается от обычного FR-4 как материалов подложки, PTFE или подобные высокочастотные материалы вызывают отличную технологичность естественным образом. Например, специальная скорость сверловки требуется в процессе сверловки виа.

• Печатные платы с толстой медью

Транспортные средства склонны генерировать больше тепла из-за их высокой электронной плотности и мощности. С ростом количества гибридных и полностью электрических автомобилей, передовые системы передачи мощности требуются, что движет высокими требованиями к способности теплоотвода и большему току. Для достижения этого толщина меди в печатной плате должна быть увеличена или медные проводники и металл встраиваются в многослойные печатные платы.

Легко изготовить двухслойные печатные платы с толстой медью, в то время как довольно трудно изготовить многослойные печатные платы с толстой медью. Ключевая точка лежит в травлении графики толстой меди и заполнении зазоров толстой меди.

Внутренняя цепь многослойных печатных плат с толстой медью — это толстая медь. После этого перенос графики требует толстой пленки с экстремально высокой стойкостью к коррозии. Время травления должно быть достаточно длинным, и травляющее устройство и техническое условие должны оставаться в оптимальном состоянии для обеспечения отличных цепей толстой меди.

Потому что есть огромная разница между внутренним проводником и поверхностью изоляционного материала подложки, и обычный стековый Aufbau многослойных печатных плат не удается заставить смолу полностью заполнить, вызывая генерацию полостей, тонкий препрег тогда предлагается, содержащий большое количество смолы. Некоторые многослойные печатные платы содержат внутреннюю цепь с разной толщиной меди, так что разные препрег могут использоваться для областей с большим различием и малым различием.

• Встраивание компонентов

Печатные платы со встроенными компонентами были впервые применены в мобильных телефонах для увеличения плотности сборки и уменьшения общего размера изделия, что существенно важно для других электронных изделий. Поэтому технология встраивания используется в автомобильных электронных устройствах.

На основе методов встраивания компонентов, существует множество вариантов производства встраиваемых печатных плат:
a. Сначала фрезеруется желоб, затем SMD собираются через волновую пайку или проводимую пасту.
b. Тонкопленочные SMD сначала собираются на внутренних цепях через волновую пайку.
c. Толщопленочные компоненты печатаются на керамической базе.
d. SMD собираются через волновую пайку, а затем смола используется для упаковки. Этот тип встраиваемых печатных плат более совместим с требованиями автомобилей, такими как теплостойкость, влагостойкость и анти-шок, с высокой надежностью.

• HDI технология

Похоже на смартфоны или планшетные компьютеры в плане функций развлечения и связи, автомобили также требуют HDI печатных плат. В результате, микровиа сверловка, гальваника и технологии взаимосоединения должны применяться в автомобильных печатных платах.

Соображения по проектированию автомобильных печатных плат

• Ориентация индуктивностей

Когда две индуктивности (или даже два проводника печатной платы) приближаются друг к другу, индуктивность будет генерироваться. Магнитное поле, созданное током в одной цепи (Цепь A), впоследствии вызовет привод тока в другой цепи (Цепь B). Этот процесс похож на взаимное воздействие между первичной и вторичной катушками трансформатора. Когда два тока взаимодействуют друг с другом через магнитное поле, генерируемое напряжение определяется взаимной индуктивностью (L_M): . В этой формуле Y_B — ошибочное напряжение, вводимое в Цепь B, в то время как L_A — ток через Цепь A. L_M довольно чувствителен к расстоянию цепей, площади контура индуктивности и направлению контура.

Следовательно, оптимальный метод размещения всех индуктивностей в цепи может быть достигнут через компактную компоновку цепи и снижение баланса связи.

Распределение взаимной индуктивности связано с выравниванием индуктивности. Поэтому модификация направления Цепи B делает ее токовый контур параллельным магнитным линиям Цепи A. Для достижения этого индуктивности должны быть вертикально размещены, что благоприятно для снижения взаимной индуктивности.

Правила компоновки индуктивностей для автомобильных печатных плат:
a. Пространство между индуктивностями должно быть максимально большим;
b. Выравнивание индуктивностей должно быть установлено как прямые углы, чтобы перехват между ними был минимизирован.

• Связь проводников

Похоже на выравнивание индуктивностей, влияющее на магнитное поле связи, если проводники близки друг к другу, связь также будет затронута, и взаимная индуктивность может быть сгенерирована. Ведущая проблема в RF цепи лежит в компоновке чувствительных компонентов, таких как входная согласующая сеть, резонансный канал приемника и согласующая сеть антенны излучателя.

Путь возврата тока должен быть максимально близок к главному пути тока с минимизацией поля излучения, что благоприятно для уменьшения площади контура тока. Оптимальный низкоимпедансный путь обычно — заземляющая область под проводниками, то есть площадь контура эффективно ограничена в области с толщиной диэлектрика, умноженной на длину проводника. Если заземляющая область разделена, однако, площадь контура увеличится. Для проводников, идущих через разделенную область, ток возврата будет вынужден идти через высокоимпедансный путь, что сильно увеличивает площадь контура тока. Этот тип компоновки также делает цепь доступной для взаимной индуктивности.

Короче, цельная заземляющая область должна быть обеспечена под проводниками максимально возможно, поскольку цельная массовая заземляющая область благоприятна для улучшения производительности цепи.

• Заземляющее сквозное отверстие

Главная проблема, которую RF цепь должна решить, обычно лежит в плохом характеристическом импедансе цепей, включая электронные компоненты и взаимосоединение. Медный слой с низкой толщиной эквивалентен индуктивному проводнику. Кроме того, распределенная емкость может быть сформирована комбинацией между медным слоем и смежными проводниками. Когда проводники идут через сквозные отверстия, характеристики индуктивности и емкости также будут отображены.

Емкость сквозного отверстия в основном происходит из емкости между медью на крае площадки сквозного отверстия и нижней медью. Другой элемент, влияющий на емкость сквозного отверстия — цилиндр металлического сквозного отверстия. Паразитная емкость влияет мало, так как обычно она просто приводит к низкому фронту высокоскоростных цифровых сигналов.

Наибольший эффект сквозных отверстий — соответствующая паразитная индуктивность, вызванная взаимосоединением. Поскольку большинство металлических сквозных отверстий имеют те же размеры, что и интегрированные компоненты в RF проектировании печатных плат, эту формулу можно использовать для оценки эффекта сквозного отверстия: . В этой формуле L_VIA — интегрированная индуктивность сквозных отверстий; h — высота виа с дюймом как единицей; d — диаметр виа с дюймом как единицей.

В результате компоновка цепи должна соответствовать следующим принципам:
a. Индуктивный модуль должен быть установлен для сквозных отверстий в чувствительной области;
b. Фильтр или согласующая сеть зависит от независимых сквозных отверстий;
c. Тонкая печатная плата снижает эффект паразитной индуктивности сквозного отверстия.

• Заземление и заливка

Заземляющая или питающая плоскость определяет общий референсный напряжение, которое поставляет питание всем компонентам в системе через низкоимпедансный путь. На основе этой схемы все электрические поля могут быть сбалансированы с генерацией отличной экранирующей схемы.

Постоянный ток всегда течет через низкоимпедансный путь. Аналогично, высокочастотный ток также является путем, текущим через наименьший импеданс в первую минуту. Поэтому для стандартных печатных проводников над заземляющей плоскостью ток возврата пытается течь в заземляющую область прямо под проводниками. После этого разделенная заземляющая область вызывает все виды шумов, что далее увеличивает перехват через магнитное поле связи или накопление тока. В результате целостность заземления должна быть обеспечена максимально возможно, или ток возврата будет приводть перехват.

Кроме того, заливка заземления, также называемая защитным проводником, обычно применяется для дизайна цепей, содержащих области, где непрерывное заземление трудно разместить или которые требуют экранирования чувствительных цепей. Заземляющие сквозные отверстия могут быть позиционированы на терминалах проводников или вдоль проводников для увеличения экранирующего эффекта. Защитные проводники не могут смешиваться с проводниками, спроектированными для предоставления пути возврата тока, что принесет перехват.

Когда медная область не соединена с заземлением или соединена с заземлением на одном терминале, ее валидность будет снижена. В некоторых случаях паразитная емкость будет сгенерирована с изменением окружающего импеданса или формированием потенциального пути между цепями, что, таким образом, приведет к плохому эффекту. Просто говоря, если медь должна быть размещена на плате, та же толщина гальваники должна быть поддержана.

В конце, заземляющая область около антенны должна быть принята во внимание. Любой монополь рассматривает заземляющую область, трассировку и сквозное отверстие как секцию системного баланса, и неидеальный сбалансированный проводник будет влиять на эффективность излучения и направление антенны. Поэтому заземляющая область не должна быть напрямую размещена прямо под монопольной антенной печатной платы.

Подводя итог, следующие принципы проектирования должны соблюдаться в плане заземления и заливки:
a. Непрерывная заземляющая область с низким импедансом должна быть предоставлена максимально возможно;
b. Два терминала заливочных проводников должны быть соединены с заземлением с применением массива сквозных отверстий;
c. Медные покрытые линии должны быть соединены с заземлением близко к цепи, вокруг которой медные покрытия не необходимы. Когда речь идет о печатных платах с множественными слоями, заземляющее сквозное отверстие должно быть размещено, когда сигнальные линии передаются с одной стороны на другую.

В заключении, правила проектирования автомобильных печатных плат могут быть обобщены в следующую таблицу:

Компоновка индуктивностей	• Пространство между индуктивностями должно быть максимально большим; • Выравнивание индуктивностей должно быть установлено как прямые углы;
Цельное заземление	• Цельное заземление должно быть размещено под проводниками;
Сквозные отверстия	• Индуктивный модуль должен быть установлен для сквозных отверстий в чувствительной области; • Фильтр или согласующая сеть зависит от независимых сквозных отверстий; • Тонкая печатная плата снижает эффект паразитной индуктивности сквозного отверстия;
Заземление и заливка	• Непрерывная заземляющая область с низким импедансом должна быть предоставлена; • Соединить терминалы заливочных проводников с заземлением с применением массива сквозных отверстий; • Медные покрытые линии должны быть соединены с заземлением;

Статью написал редактор PCBCart Дора Ян, впервые опубликована в журнале Bodo's Power System Magazine, август 2017 года.

Вы также можете быть заинтересованы в следующих статьях:
• Свойства гибко-жестких печатных плат, используемых для автомобилей
• 5 советов по проектированию автомобильных цепей для победы над ЭМИ
• Исследование надежности SMT пайки на основе цепей модуля в автомобильной электронной промышленности
• 5 проверенных способов оценить надежность производителей автомобильных печатных плат
• Как оценить производителя автомобильных HDI печатных плат