Гнучкі друковані плати в автомобілебудуванні: вимоги до проєктування для електромобілів, ADAS та інших застосувань

Сучасний електромобіль містить понад 3000 напівпровідникових мікросхем і кілометри проводів. Інженери стикаються з проблемою: жорсткі друковані плати не вписуються в вигнуті панелі приладів, тісні дверні панелі або неправильну геометрію акумуляторної батареї. Гнучкі друковані плати вирішують цю проблему, але автомобільні гнучкі схеми вимагають специфікацій, які ніколи не потрібні побутовій електроніці.

Сегмент автомобільних гнучких друкованих плат оцінюється в [1,1 мільярда доларів США та, за прогнозами, досягне 2,25 мільярда доларів США до 2032 року] (https://www.marketresearchfuture.com/reports/flexible-printed-circuit-board-market-1198), завдяки прийняттю електромобілів і поширенню ADAS. Цей посібник охоплює вимоги до конструкції, вибір матеріалів і кваліфікаційні стандарти, які відрізняють робочу автомобільну гнучку схему від тієї, яка виходить з ладу після 120 000 миль.

Чому автомобільна промисловість вимагає більше від гнучких друкованих плат

Споживчі гнучкі схеми працюють у контрольованому середовищі. Автомобільні гнучкі схеми піддаються вібрації, термічному удару, хімічному впливу та очікуваному терміну служби становить 15 років. Розрив між гнучким дизайном споживчого та автомобільного класу є місцем, де зазнають невдачі більшість новачків у сфері автомобільного дизайну.

"Найдорожча помилка в розробці автомобільних гнучких друкованих плат полягає в застосуванні специфікацій споживчої електроніки. Гнучка схема, яка ідеально працює в смартфоні, трісне протягом шести місяців під капотом. Температурний діапазон, профіль вібрації та очікуваний термін служби - все це потрібно вказувати з першого дня."

-- Хоммер Чжао, директор з інженерії FlexiPCB

Основні застосування гнучкої друкованої плати автомобіля

Системи керування акумулятором (BMS) для електромобілів

Акумуляторні блоки електромобілів містять сотні окремих елементів, розташованих у складних тривимірних конфігураціях. Гнучкі друковані плати з’єднують схеми вимірювання напруги, моніторингу температури та балансування осередків у всьому блоку. Жорстка друкована плата не може відповідати вигнутим поверхням між циліндричними або пакетними елементами.

Гнучкі схеми BMS передають важливі дані: напруга елемента (вимірюється з точністю до мілівольт), температура елемента (з’єднання термістора) і сигнали вимірювання струму. Будь-який збій цілісності сигналу може спричинити неправильні показники стану заряду, що призведе до передчасного розряду батареї або інцидентів із безпекою.

Вимоги до конструкції гнучкої друкованої плати BMS:

• Мінімум 4 шари для ізоляції сигналу
• Контрольований імпеданс (50 Ом односторонній) для ліній вимірювання напруги
• З'єднувачі з номінальною температурою (ZIF або прес-фіт) з номінальною температурою до 125°C
• [Поліімідна підкладка] (/blog/flex-pcb-materials-polyimide-pet-lcp) з клеєм з високою Tg (Tg > 200°C)
• Конформне покриття на відкритих ділянках для захисту від вологи

Інтеграція датчика ADAS

Удосконалені системи допомоги водієві використовують камери, радарні модулі, датчики LiDAR і ультразвукові перетворювачі, встановлені в різних точках автомобіля. Кожен датчик генерує високошвидкісні дані, які направляються через гнучкі схеми до центрального процесора.

Модуль передньої камери за лобовим склом розташований у просторі, розміром не більше ніж м’яч для гольфу. Гнучка схема всередині з’єднує датчик зображення CMOS із сигнальним процесором, обробляючи швидкість передачі даних LVDS до 2,1 Гбіт/с, витримуючи при цьому температуру поверхні лобового скла, яка досягає 95°C під прямим сонячним світлом.

Вимоги ADAS flex PCB до конструкції:

• [Інтерконнект високої щільності (HDI)] (/services/hdi-flex-pcb) з мікроотвірками для компактної маршрутизації
• Контрольований опір для сигналів LVDS, MIPI CSI-2 і Ethernet (100BASE-T1)
• [Шари захисту від електромагнітних перешкод] (/blog/flex-pcb-emi-shielding-materials-design-guide) для цілісності сигналу датчика
• Безперервність площини заземлення через зони вигину
• Зони жорсткості для зон кріплення роз'ємів

Комбінації приладів і дисплеї

Вигнуті та контурні панелі приладів у сучасних автомобілях покладаються на гнучкі схеми для з’єднання панелей дисплея з платами водія. Гнучка друкована плата повторює контур панелі приладів, усуваючи громіздкі кабельні джгути та скорочуючи час складання до 40%.

Для дисплеїв з високою роздільною здатністю (1920x720 або вище) потрібні гнучкі схеми, які передають сигнали eDP або LVDS на мультигігабітних швидкостях, зберігаючи при цьому цілісність сигналу через численні зони вигину.

Світлодіодні системи освітлення

Автомобільні світлодіодні фари, задні ліхтарі та навколишнє освітлення салону використовують гнучкі друковані плати для встановлення світлодіодів уздовж вигнутих корпусів. Гнучка схема служить як електричним з’єднанням, так і основою для управління температурою. Гнучкі друковані плати з алюмінієвою підкладкою розсіюють тепло від потужних світлодіодних матриць, підтримуючи температуру переходу нижче порогу 120°C, що прискорює деградацію світлодіодів.

Матеріали для автомобільних гнучких друкованих плат

Від вибору матеріалу залежить, чи прослужить гнучка автомобільна схема протягом 15 років чи вийде з ладу через 15 місяців. Кожен шар у стек-апі повинен витримувати термічне, механічне та хімічне середовище.

Конструкції без клею та на основі клею: Для застосувань у моторному відсіку та під капотом, де температура постійно перевищує 125°C, конструкції з полііміду без клею усувають найслабший тепловий зв’язок. Стандартні акрилові клеї руйнуються при температурі вище 150°C, викликаючи розшарування. Безклейкі ламінати (виготовлені прямим литтям або напиленням міді на поліімід) зберігають структурну цілісність до 260°C.

"Ми бачимо, що OEM-виробники автомобілів все частіше вибирають поліімід без клею для BMS і гнучких схем трансмісії. Надбавка до вартості становить 15-25% у порівнянні зі стандартними конструкціями, але покращення надійності під час термічного циклу є суттєвим. Для будь-якої гнучкої схеми, яка, як очікується, матиме безперервну температуру вище 105°C, безклеюча є правильним вибором."

-- Хоммер Чжао, директор з інженерії FlexiPCB

AEC-Q100 і стандарти автомобільної кваліфікації

Автомобільні гнучкі друковані плати повинні пройти кваліфікаційне тестування, яке виходить далеко за рамки стандартних випробувань надійності IPC. Кваліфікація стрес-тесту AEC-Q100 для інтегральних схем стала фактичним стандартом, на який виробники автомобільного обладнання посилаються щодо надійності гнучкої схеми.

Ключові кваліфікаційні тести

Вимоги IATF 16949 і PPAP

Постачальники автомобільної промисловості Tier-1 вимагають від своїх виробників гнучкої друкованої плати сертифікат управління якістю IATF 16949. Пакет документації процесу затвердження виробничої частини (PPAP) включає:

• Схеми процесу для кожного етапу виробництва
• Плани контролю з обмеженнями статистичного контролю процесу (SPC).
• Аналіз вимірювальної системи (MSA) для критичних розмірів
• Дослідження можливостей процесу (Cpk > 1,67 для критичних функцій)
• Початкові звіти про перевірку зразків з повними розмірними даними

Не кожен виробник гнучкої друкованої плати має сертифікат IATF 16949. Вибираючи постачальника для автомобільних додатків, перевірте їхні сертифікати якості і попросіть надати документальне підтвердження досвіду виробництва автомобілів.

Правила проектування для автомобільних гнучких друкованих плат

Радіус вигину під впливом термічної напруги

Стандартні правила радіуса згину flex PCB передбачають роботу при кімнатній температурі. Автомобільні середовища потребують додаткового резерву, оскільки поліімід стає менш гнучким за низьких температур, а втома міді прискорюється за високих температур.

Вказівки щодо радіуса вигину для автомобіля:

Трасування маршрутів у зонах вібрації

Автомобільні гнучкі схеми зазнають безперервної вібрації на частотах від 5 Гц до 2000 Гц. Траси, прокладені через зони високої вібрації, потребують спеціальної практики проектування:

• Використовуйте вигнуті сліди з радіусом > 0,5 мм при зміні напрямку (без кутів 90 градусів)
• Додайте сльозинки на всіх переходах від панелі до трасування, щоб запобігти концентрації стресу
• Прокладіть сліди перпендикулярно до основної осі вібрації
• Уникайте переходів у зонах гнучкості; розміщуйте їх лише в жорсткі зони
• Збільшення ширини сліду на 50% у гнучких областях із високим навантаженням порівняно з жорсткими секціями

Міркування щодо управління температурою

Гнучкі контури моторного відсіку витримують постійну температуру навколишнього середовища 105-125°C. Гнучкі схеми подачі електроенергії в інверторах EV обробляють щільність струму, що створює додаткове резистивне нагрівання.

Тепловий контрольний список:

• Використовуйте 2 унції (70 мкм) міді для проводів живлення, що несуть > 2A
• Додайте термічні прокладки на з’єднаннях компонентів, щоб запобігти втомі паяного з’єднання
• Укажіть поліімід із КТР, що відповідає матеріалам з’єднувача (14-16 ppm/°C)
• Включіть теплові отвори (діаметр 0,3 мм, крок 1 мм) у зонах розсіювання тепла
• Підтримуйте підвищення температури сліду живлення нижче 20°C вище навколишнього середовища за найгіршого випадку струму

Поширені режими збоїв і як їм запобігти

Розуміння того, як автомобільні гнучкі друковані плати виходять з ладу, допоможе вам розробити схеми, які прослужать повний 15-річний термін служби автомобіля.

"Кожну несправність у цьому списку можна запобігти на етапі проектування. Витрати на усунення несправності гнучкої схеми після запуску транспортного засобу обчислюються мільйонами. Витрати додаткових двох тижнів на термічне моделювання та аналіз вібрації на етапі проектування окупаються в тисячі разів."

-- Хоммер Чжао, директор з інженерії FlexiPCB

Flex PCB проти Rigid-Flex для автомобілів: що вибрати

Обидва гнучкі та жорсткі друковані плати призначені для застосування в автомобілях. Вибір залежить від ваших конкретних системних вимог.

Вибирайте чисту гнучкість, коли:

• Схема повинна відповідати вигнутій поверхні (з'єднання клітин BMS, світлодіодні стрічки освітлення)
• Зменшення ваги має вирішальне значення (кожен грам має значення для оптимізації діапазону EV)
• Конструкція вимагає постійної гнучкості під час експлуатації автомобіля
• Обмеження простору усуває можливість для роз’ємів між платами

Вибирайте rigid-flex, коли:

• Схема з'єднує кілька жорстких компонентів (процесорні плати ADAS до сенсорних модулів)
• Потрібна висока щільність монтажу компонентів разом із гнучкими з’єднаннями
• Конструкція має переваги вбудованої 3D-упаковки (складання в остаточну форму під час складання)
• Вимоги до цілісності сигналу вимагають суміщення контрольованого опору з площинами заземлення

Для прототипування гнучких конструкцій автомобілів почніть із найпростішої конструкції, яка відповідає вашим вимогам до електрики. Перевищення кількості шарів збільшує вартість і зменшує гнучкість.

Початок роботи з розробкою гнучкої друкованої плати автомобіля

1. Спочатку визначте робоче середовище. Задокументуйте діапазон температур, спектр вібрації, очікуваний термін служби та вплив хімічних речовин, перш ніж вибирати матеріали чи кількість шарів.
2. Вибирайте матеріали на основі найгірших умов. Гнучка схема, розрахована на 125°C, не витримає періодичних перепадів температури до 150°C. Додайте термічний запас.
3. Запитуйте дані про кваліфікацію автомобіля у свого виробника. Попросіть звіти про випробування AEC-Q100, сертифікат IATF 16949 і задокументовану історію виробництва автомобілів.
4. Змоделюйте термічну та механічну напругу перед тим, як приступити до виготовлення. Аналіз FEA зон згину під час термічного циклу виявляє несправності, які не можуть бути здійснені лише прототипуванням.
5. Плануйте вимоги до обсягу виробництва. Автомобільні програми переходять від прототипу до сотень тисяч одиниць. Ваш постачальник гнучкої друкованої плати повинен продемонструвати потужність і контроль процесу в масштабі.

Подайте запит на пропозицію для вашого проекту автомобільної гнучкої друкованої плати або зв’яжіться з нашою командою інженерів, щоб обговорити вимоги до конструкції для вашого конкретного застосування.

FAQ

Який діапазон температур повинні витримувати автомобільні гнучкі друковані плати?

Автомобільні гнучкі друковані плати повинні працювати при температурах від -40°C до 125°C для загальної автомобільної електроніки та до 150°C для моторного відсіку та систем трансмісії. AEC-Q100 Grade 1 визначає температуру від -40°C до 125°C, тоді як Grade 0 охоплює від -40°C до 150°C.

Чи можуть стандартні гнучкі друковані плати витримати автомобільні умови?

Стандартна поліімідна підкладка (Kapton) витримує автомобільні температури. Слабке місце – клейовий шар. Акрилові клеї розкладаються при температурі вище 150°C. Для високотемпературних застосувань вказуйте безклейкі поліімідні конструкції або модифіковані епоксидні клеї з номінальною температурою вище 200°C Tg.

Скільки термічних циклів має витримати автомобільна гнучка друкована плата?

Атестація AEC-Q100 вимагає 1000 циклів від -40°C до 125°C з 10-хвилинним часом витримки. Багато виробників автомобільного обладнання вказують 3000 або більше циклів для критично важливих для безпеки програм, таких як BMS і ADAS. Кожен цикл піддає гнучку схему термічному розширенню та стисненню.

У чому різниця між AEC-Q100 і AEC-Q200 для гнучких друкованих плат?

AEC-Q100 охоплює інтегральні схеми та зазвичай згадується як надійність гнучкої схеми. AEC-Q200 стосується особливо пасивних компонентів. Для самих гнучких друкованих плат виробники зазвичай відповідають стандартам IPC-6013 класу 3/A (автомобільний додаток) у поєднанні зі спеціальними вимогами OEM, отриманими в результаті стрес-тестів AEC-Q100.

Чи потрібні гнучкі друковані плати для автомобілів спеціальні роз’єми?

так Стандартні роз’єми FPC, призначені для споживчої електроніки (зазвичай 85°C), не працюватимуть в автомобільному середовищі. Укажіть автомобільні з’єднувачі ZIF із діапазонами робочих температур, що відповідають вашому застосуванню, механізмами блокування для запобігання роз’єднанню, спричиненому вібрацією, і золотим покриттям контактів для стійкості до корозії.

Скільки коштують гнучкі друковані плати автомобільного класу порівняно зі стандартними гнучкими?

Автомобільні гнучкі друковані плати коштують на 30-80% дорожче, ніж еквіваленти споживчого класу, завдяки модернізації матеріалів (поліімід без адгезиву, RA мідь), додатковому тестуванню (термічний цикл, HAST), суворішому контролю процесу (Cpk > 1,67) і вимогам до документації (PPAP). Див. наш посібник із ціноутворення, щоб отримати детальну інформацію.

Посилання

– Дослідження ринку гнучких друкованих плат – Майбутнє дослідження ринку

• Кваліфікаційний стандарт AEC-Q100 -- Вікіпедія
• Кваліфікаційний стандарт IPC-6013 для гнучких друкованих плат -- Огляд стандартів IPC
• IATF 16949 Автомобільний менеджмент якості -- Вікіпедія