Rugalmas PCB-k az Autóiparban: Tervezési Követelmények EV-khez, ADAS-hoz és Tovább

Egy modern elektromos jármű több mint 3000 félvezető chipet és kilométernyi vezetéket tartalmaz. A mérnökök egy problémával szembesülnek: a merev PCB-k nem férnek el az ívelt műszerfalakba, a szűk ajtópanelekbe vagy az akkumulátorcsomag szabálytalan geometriájába. A flexibilis PCB-k megoldják ezt a problémát, de az autóipari minőségű flexibilis áramkörök olyan specifikációkat igényelnek, amelyeket a fogyasztói elektronika soha nem igényel.

Az autóipari rugalmas PCB-szegmens értéke 1,1 milliárd dollár, és az előrejelzések szerint 2032-re eléri a 2,25 milliárd dollárt, ami az elektromos járművek bevezetésének és az ADAS elterjedésének köszönhető. Ez az útmutató a tervezési követelményekre, az anyagválasztásra és a minősítési szabványokra vonatkozik, amelyek elválasztják a működő autóipari rugalmas áramkört a 120 000 mérföldnél meghibásodotttól.

Miért követel többet az autóipar a Flex PCB-ktől?

A fogyasztói rugalmas áramkörök ellenőrzött környezetben működnek. Az autóipari flexibilis áramkörök rezgéssel, hősokkkal, vegyi expozícióval és 15 éves várható élettartammal szembesülnek. A fogyasztói és az autóipari flexibilis tervezés közötti szakadék az a hely, ahol a legtöbb első autótervező kudarcot vall.

"A legdrágább hiba az autóipari rugalmas PCB-k tervezésében a fogyasztói elektronikai előírások alkalmazása. Az okostelefonokban tökéletesen működő rugalmas áramkör hat hónapon belül megreped a motorháztető alatt. A hőmérséklet-tartományt, a rezgésprofilt és a várható ciklusélettartamot az első naptól kezdve meg kell adni."

-- Hommer Zhao, a FlexiPCB mérnöki igazgatója

Kulcsfontosságú autóipari Flex PCB alkalmazások

Akkumulátorkezelő rendszerek (BMS) elektromos járművekhez

Az elektromos járművek akkumulátorai több száz egyedi cellát tartalmaznak, amelyek összetett 3D konfigurációkban vannak elrendezve. A Flex PCB-k feszültségérzékelő, hőmérséklet-figyelő és cellakiegyenlítő áramköröket kötnek össze a teljes csomagban. A merev PCB nem tud alkalmazkodni a hengeres vagy tasak cellák közötti ívelt felületekhez.

A BMS flex áramkörök kritikus adatokat hordoznak: cellafeszültség (millivoltos pontossággal mérve), cella hőmérséklet (termisztor csatlakozások) és áramérzékelő jelek. Bármilyen jelintegritási hiba hibás töltési állapotot eredményezhet, ami idő előtti akkumulátorromláshoz vagy biztonsági eseményekhez vezethet.

BMS flex PCB tervezési követelmények:

• Minimum 4 rétegű jelszigeteléshez
• Szabályozott impedancia (50 ohm egyvégű) feszültségérzékelő vezetékekhez
• Hőmérsékletre besorolt csatlakozók (ZIF vagy préselhető) 125°C-ig
• [Poliimid hordozó] (/blog/flex-pcb-materials-polyimide-pet-lcp) magas Tg-tartalmú ragasztóval (Tg > 200°C)
• Konform bevonat a kitett területeken a nedvesség elleni védelem érdekében

ADAS érzékelő integráció

Az Advanced Driver Assistance Systems kamerákat, radarmodulokat, LiDAR érzékelőket és ultrahangos jelátalakítókat használ a jármű körül különböző pontokon. Mindegyik érzékelő nagy sebességű adatokat generál, amelyek rugalmas áramkörökön keresztül jutnak el a központi feldolgozó egységhez.

A szélvédő mögött elülső kameramodul egy golflabdánál nem nagyobb térben helyezkedik el. A belső rugalmas áramkör a CMOS képérzékelőt egy jelprocesszorhoz köti, amely akár 2,1 Gbps LVDS adatátviteli sebességet is képes kezelni, miközben elviseli a 95 °C-os szélvédőfelületi hőmérsékletet közvetlen napfényben.

ADAS flex PCB tervezési követelmények:

• High-density interconnect (HDI) mikro-átmenetekkel a kompakt útválasztáshoz
• Vezérelt impedancia LVDS, MIPI CSI-2 és Ethernet (100BASE-T1) jelekhez
• [EMI árnyékoló rétegek] (/blog/flex-pcb-emi-shielding-materials-design-guide) az érzékelő jeleinek integritásához
• A talajsík folytonossága a hajlítási zónák között
• Merevítő területek a csatlakozók rögzítési zónáihoz

Műszercsoportok és kijelzők

A modern járművek hajlított és kontúros műszercsoportjai rugalmas áramkörökre támaszkodnak, amelyek a kijelzőpaneleket a vezető táblákhoz kötik. A rugalmas PCB követi a műszerfal körvonalát, kiküszöböli a terjedelmes kábelkötegeket, és akár 40%-kal csökkenti az összeszerelési időt.

A nagy felbontású (1920x720 vagy nagyobb) kijelzők rugalmas áramköröket igényelnek, amelyek több gigabites sebességgel továbbítják az eDP- vagy LVDS-jeleket, miközben több hajlítási zónán keresztül is megőrzik a jel integritását.

LED világítási rendszerek

Az autóipari LED-es fényszórók, a hátsó lámpák és a belső környezeti világítás flex PCB-ket használnak a LED-ek ívelt házak mentén történő felszereléséhez. A flexibilis áramkör elektromos összeköttetésként és hőkezelési hordozóként is szolgál. Az alumínium hátlapú flex PCB-k elvezetik a nagy teljesítményű LED-tömbök hőjét, így a csatlakozási hőmérsékletet a 120°C-os küszöb alatt tartják, ami felgyorsítja a LED-ek leromlását.

Anyagok autóipari Flex nyomtatott áramköri lapokhoz

Az anyagválasztás határozza meg, hogy egy autóipari rugalmas áramkör 15 évig fennmarad-e, vagy 15 hónap alatt meghibásodik. A rakatban minden rétegnek ellenállnia kell a termikus, mechanikai és kémiai környezetnek.

Ragasztómentes és ragasztó alapú szerkezetek: A motortérben és a motorháztető alatti alkalmazásoknál, ahol a hőmérséklet folyamatosan meghaladja a 125°C-ot, a ragasztómentes poliimid szerkezetek kiküszöbölik a leggyengébb hőkapcsolatot. A szabványos akril ragasztók 150°C felett lebomlanak, ami rétegválást okoz. A ragasztómentes laminátumok (közvetlen rézöntéssel vagy poliimidre porlasztással készülnek) megőrzik szerkezeti integritását 260°C-ig.

"Látjuk, hogy az autóipari OEM-ek egyre gyakrabban adnak meg ragasztómentes poliimidet a BMS-hez és a hajtáslánc rugalmas áramköreihez. A költségprémium 15-25% a szabványos konstrukciókhoz képest, de a megbízhatóság javulása a hőciklus során jelentős. Bármely flexibilis áramkör esetében, amely várhatóan folyamatosan 105 °C feletti hőmérsékletet mutat, a ragasztómentes a megfelelő választás."

-- Hommer Zhao, a FlexiPCB mérnöki igazgatója

AEC-Q100 és autóipari minősítési szabványok

Az autóipari rugalmas nyomtatott áramköri lapoknak át kell menniük a szabványos [IPC megbízhatósági teszteken] (/blog/flex-pcb-reliability-testing-quality-standards) túlmutató minősítési teszten. Az integrált áramkörök AEC-Q100 stresszteszt-minősítése de facto szabvánnyá vált, amelyre az autóipari OEM-ek hivatkoznak a rugalmas áramkörök megbízhatósága tekintetében.

Kulcsminősítési tesztek

IATF 16949 és PPAP követelmények

Az 1. szintű gépjárműipari beszállítók IATF 16949 minőségirányítási tanúsítványt igényelnek rugalmas PCB-gyártóiktól. A gyártási rész jóváhagyási folyamatának (PPAP) dokumentációs csomagja a következőket tartalmazza:

• Folyamatfolyamat diagramok minden gyártási lépéshez
• Szabályozási tervek statisztikai folyamatvezérlési (SPC) határértékekkel
• Measurement System Analysis (MSA) a kritikus méretekhez
• Folyamatképesség-tanulmányok (Cpk > 1,67 kritikus jellemzők esetén)
• Kezdeti mintavizsgálati jelentések teljes méretadatokkal

Nem minden flex PCB gyártó rendelkezik IATF 16949 tanúsítvánnyal. Az autóipari alkalmazások beszállítójának kiválasztásakor [ellenőrizze minőségi tanúsítványát] (/képességeit), és kérjen dokumentált bizonyítékot az autóipari gyártási tapasztalatokról.

Az autóipari Flex PCB-k tervezési szabályai

Hajlítási sugár termikus igénybevétel alatt

A szabványos [flex PCB hajlítási sugárszabályok] (/blog/flex-pcb-design-guidelines) szobahőmérsékletű működést feltételeznek. Az autóipari környezetek további tartalékot igényelnek, mivel a poliimid alacsony hőmérsékleten kevésbé rugalmas, magas hőmérsékleten pedig felgyorsul a réz kifáradása.

A gépjárművek kanyarsugárra vonatkozó irányelvek:

Nyomkövetés a vibrációs zónákban

Az autóipari rugalmas áramkörök 5 Hz és 2000 Hz közötti frekvenciájú folyamatos rezgést tapasztalnak. A nagy vibrációjú zónákon átvezetett nyomok speciális tervezési gyakorlatot igényelnek:

• Irányváltáskor használjon 0,5 mm-nél nagyobb sugarú ívelt nyomokat (nincs 90 fokos sarkok)
• Adjon hozzá könnycseppeket az összes pad-to-trace átmenethez, hogy megakadályozza a stresszkoncentrációt
• Az elsődleges rezgéstengelyre merőleges nyomvonalak
• Kerülje el a flexibilis zónákban lévő átmeneteket; csak [merevített területeken] (/blog/flex-pcb-stiffener-guide-types-materials-design) helyezze el őket
• Növelje meg a nyomvonal szélességét 50%-kal a nagy igénybevételnek kitett flexiós régiókban a merev szakaszokhoz képest

Hőgazdálkodási szempontok

A motortér rugalmas áramkörei 105-125°C közötti folyamatos környezeti hőmérséklettel szembesülnek. Az elektromos inverterek energiaellátó rugalmas áramkörei kezelik az áramsűrűséget, ami további ellenállásos fűtést generál.

Hőtechnikai tervezési ellenőrzőlista:

• 2 uncia (70 um) rezet használjon a > 2A-t szállító áramnyomokhoz
• Helyezzen hővédő párnákat az alkatrészek csatlakozásaihoz, hogy megakadályozza a forrasztási kötések kifáradását
• Adjon meg poliimidet CTE-vel, amely illeszkedik a csatlakozó anyagokhoz (14-16 ppm/°C)
• Szereljen be hőátvezetőket (0,3 mm átmérőjű, 1 mm-es osztás) a hőelvezetési területeken
• Tartsa a teljesítmény nyomkövetési hőmérséklet emelkedését 20°C alatt a környezeti értékhez képest a legrosszabb áram esetén

Gyakori hibamódok és azok megelőzése

Az autóipari flexibilis nyomtatott áramköri lapok meghibásodásának megértése segít olyan áramkörök tervezésében, amelyek a jármű teljes 15 éves élettartamát kibírják.

"A listán szereplő minden meghibásodási mód megelőzhető a tervezési szakaszban. A rugalmas áramköri meghibásodások kijavításának költsége a jármű elindítása után milliókra rúg. Ha a tervezési szakaszban további két hetet töltenek hőszimulációval és rezgéselemzéssel, az több ezerszer megtérül."

-- Hommer Zhao, a FlexiPCB mérnöki igazgatója

Flex PCB vs. Rigid-Flex autóiparhoz: melyiket válasszam

Mind a [flex, mind a merev-flex PCB] (/blog/flex-pcb-vs-rigid-flex-pcb) autóipari alkalmazásokat szolgál ki. A választás az adott rendszerkövetelményektől függ.

A pure flexet válassza, ha:

• Az áramkörnek ívelt felülethez kell igazodnia (BMS cella csatlakozások, LED világító szalagok)
• A súlycsökkentés kritikus fontosságú (az elektromos járművek hatótávolságának optimalizálása során minden gramm számít)
• A kialakítás folyamatos rugalmasságot igényel a jármű üzemeltetése során
• A helyszűke miatt nincs lehetőség a kártya-lap csatlakozókra

A merev-flexet válassza, ha:

• Az áramkör több merev alkatrészt (ADAS feldolgozó kártyákat az érzékelő modulokhoz) köt össze.
• Nagy sűrűségű alkatrészek rögzítése szükséges a rugalmas összeköttetések mellett
• A dizájn előnye a beépített 3D csomagolás (végső formába hajtás [összeszerelés] során (/blog/flex-pcb-assembly-smt-component-mounting))
• A jelintegritás követelményei vezérelt impedancia halmozást követelnek meg alaplapokkal

Az [automotive flex designs prototípusok elkészítéséhez] (/blog/flex-pcb-prototype-rapid-prototyping-guide) kezdje a legegyszerűbb konstrukcióval, amely megfelel az elektromos követelményeknek. A rétegszám túltervezése növeli a költségeket és csökkenti a rugalmasságot.

Ismerkedés az autóipari Flex PCB tervezéssel

1. Először határozza meg a működési környezetet. Dokumentálja a hőmérséklet-tartományt, a rezgésspektrumot, a várható élettartamot és a vegyi expozíciót, mielőtt kiválasztaná az anyagokat vagy a rétegszámokat.
2. Az anyagokat a legrosszabb körülmények alapján válassza ki. A 125°C-ra méretezett rugalmas áramkör nem bírja ki a 150°C-os időszakos eltéréseket. Adjon hozzá termikus margót.
3. Kérjen autóipari minősítési adatokat a gyártótól. Kérjen AEC-Q100 vizsgálati jelentéseket, IATF 16949 tanúsítványt és dokumentált autóipari gyártási előzményeket.
4. A gyártás megkezdése előtt szimulálja a termikus és mechanikai igénybevételt. A hajlítási zónák FEA-elemzése a hőciklus során olyan hibákat észlel, amelyeket a prototípus önmagában nem tud.
5. A gyártási mennyiségi követelmények megtervezése. Az autóipari programok prototípustól több százezer darabig terjednek. Az Ön flex PCB-szállítójának méretarányosan kell bemutatnia a kapacitást és a folyamatirányítást.

Kérjen árajánlatot autóipari flex PCB-projektjéhez, vagy vegye fel a kapcsolatot mérnöki csapatunkkal az adott alkalmazás tervezési követelményeinek megvitatásához.

GYIK

Milyen hőmérsékleti tartományt kell kibírniuk az autóipari flex PCB-knek?

Az autóipari hajlékony nyomtatott áramköri lapoknak -40°C és 125°C között kell működniük az általános járműelektronika esetében, és 150°C-ig a motortér és a hajtáslánc alkalmazások esetében. Az AEC-Q100 1. fokozata -40°C és 125°C között, míg a 0. fokozat -40°C és 150°C közötti hőmérsékletet ír elő.

A szabványos flex PCB anyagok túlélik az autóipari körülményeket?

A szabványos poliimid szubsztrátum (Kapton) kezeli az autók hőmérsékletét. A gyenge pont a ragasztóréteg. Az akril ragasztók 150°C felett lebomlanak. Magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz ragasztómentes poliimid szerkezeteket vagy módosított epoxi ragasztókat adjon meg 200°C Tg felett.

Hány hőciklust kell túlélnie egy autóipari flex PCB-nek?

Az AEC-Q100 minősítéshez 1000 ciklus szükséges -40°C és 125°C között 10 perces várakozási idővel. Sok autóipari OEM 3000 vagy több ciklust ír elő a biztonság szempontjából kritikus alkalmazásokhoz, mint például a BMS és az ADAS. Minden ciklus hőtágulási és összehúzódási feszültségnek teszi ki a hajlító kört.

Mi a különbség az AEC-Q100 és az AEC-Q200 között a rugalmas PCB-k esetében?

Az AEC-Q100 lefedi az integrált áramköröket, és gyakran hivatkoznak rá a rugalmas áramkörök megbízhatósága miatt. Az AEC-Q200 kifejezetten passzív alkatrészeket takar. Maguk a flex PCB-k esetében a gyártók általában megfelelnek az IPC-6013 Class 3/A (autóipari kiegészítés) követelményeinek, kombinálva az AEC-Q100 stressztesztekből származó OEM-specifikus követelményekkel.

Az autóipari flex PCB-khez speciális csatlakozók szükségesek?

Igen. A fogyasztói elektronikához tervezett szabványos FPC-csatlakozók (általában 85°C-on) meghibásodnak autóipari környezetben. Adja meg az [autóipari besorolású ZIF-csatlakozókat] (/blog/flex-pcb-connector-types-zif-fpc-selection-guide) az alkalmazásának megfelelő üzemi hőmérséklet-tartományokkal, reteszelő mechanizmusokkal, amelyek megakadályozzák a vibráció okozta szétkapcsolást, és aranyozott érintkezőbevonattal a korrózióállóság érdekében.

Mennyibe kerülnek az autóipari minőségű flex NYÁK-k a szabványos flexekhez képest?

Az autóipari flex PCB-k 30-80%-kal drágábbak, mint a fogyasztói ekvivalensek az anyagfelújítások (ragasztómentes poliimid, RA réz), a további vizsgálatok (termikus ciklus, HAST), a szigorúbb folyamatszabályozás (Cpk > 1,67) és a dokumentációs követelmények (PPAP) miatt. Tekintse meg árképzési útmutatónkat a részletes lebontásért.

Referenciák

• Rugalmas nyomtatott áramköri piackutatás -- Piackutatás jövő
• AEC-Q100 minősítési szabvány -- Wikipédia
• IPC-6013 minősítési szabvány rugalmas nyomtatott táblákhoz - Az IPC szabványok áttekintése
• IATF 16949 Automotive Quality Management -- Wikipédia