PCB Linh Hoạt Trong Ô Tô: Yêu Cầu Thiết Kế Cho EV, ADAS Và Hơn Thế Nữa

Một chiếc xe điện hiện đại chứa hơn 3.000 chip bán dẫn và hàng km dây điện. Các kỹ sư phải đối mặt với một vấn đề: PCB cứng không thể vừa với bảng điều khiển cong, tấm cửa chật hoặc hình dạng không đều của bộ pin. Flex PCB giải quyết được vấn đề đó, nhưng mạch linh hoạt cấp ô tô yêu cầu các thông số kỹ thuật mà thiết bị điện tử tiêu dùng không bao giờ yêu cầu.

Phân khúc PCB linh hoạt dành cho ô tô được định giá [1,1 tỷ USD và dự kiến ​​đạt 2,25 tỷ USD vào năm 2032](https://www.marketresearchfuture.com/reports/flexible-printed- Circuit-board-market-1198), nhờ việc áp dụng xe điện và sự gia tăng ADAS. Hướng dẫn này bao gồm các yêu cầu thiết kế, lựa chọn vật liệu và tiêu chuẩn chất lượng để phân biệt mạch linh hoạt của ô tô đang hoạt động với mạch bị hỏng ở quãng đường 120.000 dặm.

Tại sao ô tô lại yêu cầu nhiều hơn từ PCB Flex

Mạch linh hoạt tiêu dùng hoạt động trong môi trường được kiểm soát. Mạch linh hoạt ô tô phải đối mặt với rung động, sốc nhiệt, tiếp xúc với hóa chất và tuổi thọ sử dụng dự kiến ​​là 15 năm. Khoảng cách giữa thiết kế linh hoạt ở cấp độ người tiêu dùng và cấp độ ô tô là nơi mà hầu hết các nhà thiết kế ô tô lần đầu thất bại.

"Sai lầm đắt giá nhất trong thiết kế PCB linh hoạt dành cho ô tô là áp dụng các thông số kỹ thuật điện tử tiêu dùng. Một mạch linh hoạt hoạt động hoàn hảo trong điện thoại thông minh sẽ bị hỏng trong vòng sáu tháng dưới mui xe. Phạm vi nhiệt độ, cấu hình rung và vòng đời dự kiến đều cần được chỉ định ngay từ ngày đầu tiên."

-- Hommer Zhao, Giám đốc Kỹ thuật tại FlexiPCB

Các ứng dụng chính của Flex PCB cho ô tô

Hệ thống quản lý pin (BMS) cho xe điện

Bộ pin EV chứa hàng trăm tế bào riêng lẻ được sắp xếp theo cấu hình 3D phức tạp. Flex PCB kết nối cảm biến điện áp, giám sát nhiệt độ và mạch cân bằng tế bào trên toàn bộ gói. PCB cứng không thể phù hợp với các bề mặt cong giữa các ô hình trụ hoặc túi.

Mạch flex BMS mang dữ liệu quan trọng: điện áp di động (được đo đến độ chính xác millivolt), nhiệt độ tế bào (kết nối điện trở nhiệt) và tín hiệu cảm biến dòng điện. Bất kỳ lỗi nào về tính toàn vẹn của tín hiệu đều có thể khiến kết quả đọc trạng thái sạc không chính xác, dẫn đến pin xuống cấp sớm hoặc xảy ra sự cố về an toàn.

Yêu cầu thiết kế PCB BMS flex:

• Tối thiểu 4 lớp để cách ly tín hiệu
• Trở kháng điều khiển (50 ohm một đầu) cho đường dây cảm biến điện áp
• Đầu nối định mức nhiệt độ (ZIF hoặc press-fit) được định mức ở 125°C
• Chất nền Polyimide với chất kết dính có hàm lượng Tg cao (Tg > 200°C)
• Lớp phủ phù hợp trên các khu vực tiếp xúc để bảo vệ độ ẩm

Tích hợp cảm biến ADAS

Hệ thống hỗ trợ người lái tiên tiến sử dụng camera, mô-đun radar, cảm biến LiDAR và bộ chuyển đổi siêu âm được gắn tại nhiều điểm khác nhau xung quanh xe. Mỗi cảm biến tạo ra dữ liệu tốc độ cao truyền qua các mạch linh hoạt đến bộ xử lý trung tâm.

Một mô-đun camera phía trước phía sau kính chắn gió nằm trong một không gian không lớn hơn một quả bóng gôn. Mạch linh hoạt bên trong kết nối cảm biến hình ảnh CMOS với bộ xử lý tín hiệu, xử lý tốc độ dữ liệu LVDS lên tới 2,1 Gbps trong khi vẫn chịu được nhiệt độ bề mặt kính chắn gió lên tới 95°C dưới ánh nắng trực tiếp.

Yêu cầu thiết kế ADAS flex PCB:

• Kết nối mật độ cao (HDI) với microvias để định tuyến nhỏ gọn
• Trở kháng được kiểm soát cho tín hiệu LVDS, MIPI CSI-2 và Ethernet (100BASE-T1)
• Các lớp che chắn EMI để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu cảm biến
• Tính liên tục của mặt đất qua các vùng uốn cong
• Khu vực tăng cứng cho khu vực lắp đầu nối

Cụm và màn hình thiết bị

Cụm đồng hồ được uốn cong và uốn cong trong các phương tiện hiện đại dựa vào các mạch linh hoạt để kết nối bảng hiển thị với bảng điều khiển. PCB linh hoạt đi theo đường viền của bảng điều khiển, loại bỏ các dây cáp cồng kềnh và giảm thời gian lắp ráp tới 40%.

Màn hình có độ phân giải cao (1920x720 trở lên) yêu cầu các mạch linh hoạt mang tín hiệu eDP hoặc LVDS ở tốc độ nhiều gigabit trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu qua nhiều vùng uốn cong.

###Hệ thống chiếu sáng LED

Đèn pha, đèn hậu LED và đèn chiếu sáng xung quanh bên trong ô tô sử dụng PCB linh hoạt để gắn đèn LED dọc theo vỏ cong. Mạch flex đóng vai trò vừa là kết nối điện vừa là chất nền quản lý nhiệt. PCB linh hoạt có lớp nền bằng nhôm tản nhiệt từ dãy đèn LED công suất cao, giữ nhiệt độ tiếp giáp dưới ngưỡng 120°C, điều này làm tăng tốc độ xuống cấp của đèn LED.

Vật liệu cho PCB Flex ô tô

Lựa chọn vật liệu xác định xem mạch linh hoạt ô tô tồn tại được 15 năm hay hỏng sau 15 tháng. Mỗi lớp trong lớp xếp chồng lên nhau phải chịu được môi trường nhiệt, cơ học và hóa học.

Cấu trúc không dính và dựa trên chất kết dính: Đối với các ứng dụng trong khoang động cơ và dưới mui xe nơi nhiệt độ liên tục vượt quá 125°C, cấu trúc polyimide không dính sẽ loại bỏ liên kết nhiệt yếu nhất. Chất kết dính acrylic tiêu chuẩn bị phân hủy ở nhiệt độ trên 150°C, gây ra sự phân tách. Các tấm mỏng không dính (được chế tạo bằng cách đúc trực tiếp hoặc phún xạ đồng lên polyimide) duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc ở nhiệt độ lên tới 260°C.

"Chúng tôi thấy các OEM ô tô ngày càng chỉ định polyimide không dính cho các mạch linh hoạt BMS và hệ thống truyền động. Chi phí cao hơn 15-25% so với kết cấu tiêu chuẩn, nhưng độ tin cậy được cải thiện đáng kể trong chu kỳ nhiệt. Đối với bất kỳ mạch linh hoạt nào dự kiến có nhiệt độ liên tục trên 105°C, không có chất kết dính là lựa chọn chính xác."

-- Hommer Zhao, Giám đốc Kỹ thuật tại FlexiPCB

Tiêu chuẩn AEC-Q100 và Ô tô

PCB linh hoạt dành cho ô tô phải vượt qua bài kiểm tra chất lượng vượt xa kiểm tra độ tin cậy IPC. Chứng chỉ kiểm tra sức chịu tải AEC-Q100 dành cho mạch tích hợp đã trở thành tiêu chuẩn thực tế mà các OEM ô tô tham khảo về độ tin cậy của mạch linh hoạt.

Bài kiểm tra năng lực chính

Yêu cầu IATF 16949 và PPAP

Các nhà cung cấp ô tô cấp 1 yêu cầu chứng nhận quản lý chất lượng IATF 16949 từ các nhà sản xuất PCB linh hoạt của họ. Gói tài liệu Quy trình phê duyệt bộ phận sản xuất (PPAP) bao gồm:

• Sơ đồ quy trình cho từng bước sản xuất
• Kế hoạch kiểm soát với các giới hạn kiểm soát quy trình thống kê (SPC)
• Phân tích hệ thống đo lường (MSA) cho các kích thước quan trọng
• Nghiên cứu khả năng xử lý (Cpk > 1,67 cho các tính năng quan trọng)
• Báo cáo kiểm tra mẫu ban đầu với dữ liệu đầy đủ chiều

Không phải mọi nhà sản xuất PCB linh hoạt đều duy trì chứng nhận IATF 16949. Khi chọn nhà cung cấp cho các ứng dụng ô tô, [xác minh chứng chỉ chất lượng của họ](/năng lực) và yêu cầu bằng chứng tài liệu về kinh nghiệm sản xuất ô tô.

Quy tắc thiết kế cho PCB Flex ô tô

Uốn cong bán kính dưới ứng suất nhiệt

Quy tắc bán kính uốn cong PCB tiêu chuẩn giả định hoạt động ở nhiệt độ phòng. Môi trường ô tô yêu cầu biên độ bổ sung vì polyimide trở nên kém linh hoạt hơn ở nhiệt độ thấp và độ mỏi của đồng tăng nhanh ở nhiệt độ cao.

Hướng dẫn bán kính uốn cong ô tô:

Định tuyến theo dõi trong vùng rung

Mạch linh hoạt ô tô chịu rung động liên tục ở tần số từ 5 Hz đến 2.000 Hz. Các dấu vết được định tuyến qua các vùng có độ rung cao cần có các biện pháp thiết kế cụ thể:

• Sử dụng các vết cong có bán kính > 0,5 mm khi đổi hướng (không được góc 90 độ)
• Thêm các giọt nước mắt vào tất cả các quá trình chuyển đổi pad-to-trace để ngăn chặn sự tập trung căng thẳng
• Đường truyền vết vuông góc với trục rung chính
• Tránh vias trong vùng linh hoạt; chỉ đặt chúng ở khu vực cứng
• Tăng chiều rộng vết lên 50% ở các vùng uốn có ứng suất cao so với các phần cứng

Những cân nhắc về quản lý nhiệt

Mạch uốn cong khoang động cơ phải đối mặt với nhiệt độ môi trường liên tục ở mức 105-125°C. Mạch linh hoạt cung cấp điện trong bộ biến tần EV xử lý mật độ dòng điện tạo ra nhiệt điện trở bổ sung.

Danh sách kiểm tra thiết kế nhiệt:

• Sử dụng đồng 2 oz (70 um) cho dòng điện mang > 2A
• Thêm miếng đệm giảm nhiệt tại các kết nối linh kiện để tránh mỏi mối hàn
• Chỉ định polyimide có CTE phù hợp với vật liệu kết nối (14-16 ppm/°C)
• Bao gồm các via nhiệt (đường kính 0,3 mm, bước 1 mm) trong khu vực tản nhiệt
• Giữ mức tăng nhiệt độ vết nguồn dưới 20°C so với môi trường xung quanh trong trường hợp dòng điện xấu nhất

Các dạng lỗi thường gặp và cách phòng ngừa

Hiểu được nguyên nhân hỏng hóc của PCB linh hoạt trên ô tô sẽ giúp bạn thiết kế các mạch có tuổi thọ kéo dài suốt 15 năm cho xe.

"Mọi chế độ hư hỏng trong danh sách này đều có thể ngăn ngừa được ở giai đoạn thiết kế. Chi phí khắc phục lỗi mạch linh hoạt sau khi phóng xe lên tới hàng triệu USD. Việc dành thêm hai tuần cho mô phỏng nhiệt và phân tích độ rung trong giai đoạn thiết kế sẽ tự trả giá gấp hàng nghìn lần."

-- Hommer Zhao, Giám đốc Kỹ thuật tại FlexiPCB

Flex PCB so với Rigid-Flex cho ô tô: Nên chọn loại nào

Cả PCB linh hoạt và linh hoạt cứng đều phục vụ các ứng dụng ô tô. Sự lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu hệ thống cụ thể của bạn.

Chọn pure flex khi:

• Mạch phải phù hợp với bề mặt cong (kết nối cell BMS, dải đèn LED)
• Giảm trọng lượng là rất quan trọng (mỗi gram đều quan trọng trong việc tối ưu hóa phạm vi EV)
• Thiết kế đòi hỏi sự linh hoạt liên tục trong quá trình vận hành xe
• Hạn chế về không gian loại bỏ tùy chọn đầu nối bo mạch với bo mạch

Chọn linh hoạt cứng nhắc khi:

• Mạch kết nối nhiều linh kiện cứng (board xử lý ADAS tới module cảm biến)
• Cần phải lắp thành phần mật độ cao cùng với các kết nối linh hoạt
• Thiết kế được hưởng lợi từ việc đóng gói 3D tích hợp (gấp thành dạng cuối cùng trong quá trình lắp ráp)
• Yêu cầu về tính toàn vẹn của tín hiệu yêu cầu xếp chồng trở kháng được kiểm soát với mặt phẳng mặt đất

Đối với tạo mẫu thiết kế linh hoạt cho ô tô, hãy bắt đầu với cấu trúc đơn giản nhất đáp ứng yêu cầu về điện của bạn. Thiết kế quá nhiều lớp sẽ làm tăng thêm chi phí và giảm tính linh hoạt.

Bắt đầu với thiết kế PCB Flex cho ô tô

1. Xác định môi trường hoạt động trước tiên. Ghi lại phạm vi nhiệt độ, phổ rung động, tuổi thọ dự kiến ​​và mức độ tiếp xúc với hóa chất trước khi chọn vật liệu hoặc số lượng lớp.
2. Chọn vật liệu dựa trên các điều kiện trong trường hợp xấu nhất. Mạch linh hoạt được định mức ở 125°C sẽ không tồn tại khi định kỳ di chuyển đến 150°C. Thêm biên độ nhiệt.
3. Yêu cầu dữ liệu chứng nhận ô tô từ nhà sản xuất của bạn. Yêu cầu báo cáo thử nghiệm AEC-Q100, chứng nhận IATF 16949 và lịch sử sản xuất ô tô được ghi lại.
4. Mô phỏng ứng suất nhiệt và cơ học trước khi bắt tay vào chế tạo. Phân tích FEA về các vùng uốn cong trong chu trình nhiệt phát hiện các lỗi mà việc tạo nguyên mẫu riêng lẻ không thể thực hiện được.
5. Lập kế hoạch đáp ứng yêu cầu về số lượng sản xuất. Các chương trình ô tô mở rộng từ nguyên mẫu đến hàng trăm nghìn chiếc. Nhà cung cấp PCB linh hoạt của bạn phải chứng minh năng lực và khả năng kiểm soát quy trình trên quy mô lớn.

[Yêu cầu báo giá](/báo giá) cho dự án PCB linh hoạt dành cho ô tô của bạn hoặc [liên hệ với nhóm kỹ thuật của chúng tôi](/liên hệ) để thảo luận về các yêu cầu thiết kế cho ứng dụng cụ thể của bạn.

##Câu hỏi thường gặp

PCB linh hoạt ô tô phải chịu được phạm vi nhiệt độ nào?

PCB linh hoạt ô tô phải hoạt động ở nhiệt độ từ -40°C đến 125°C đối với các thiết bị điện tử nói chung trên xe và lên đến 150°C đối với các ứng dụng khoang động cơ và hệ thống truyền động. AEC-Q100 Cấp 1 chỉ định -40°C đến 125°C, trong khi Cấp 0 bao gồm -40°C đến 150°C.

Vật liệu PCB uốn cong tiêu chuẩn có thể tồn tại trong điều kiện ô tô không?

Chất nền polyimide tiêu chuẩn (Kapton) xử lý nhiệt độ ô tô. Điểm yếu là lớp dính. Chất kết dính acrylic bị phân hủy ở nhiệt độ trên 150°C. Đối với các ứng dụng ở nhiệt độ cao, hãy chỉ định cấu trúc polyimide không dính hoặc chất kết dính epoxy biến tính có nhiệt độ trên 200°C Tg.

PCB linh hoạt ô tô phải tồn tại được bao nhiêu chu kỳ nhiệt?

Chứng nhận AEC-Q100 yêu cầu 1.000 chu kỳ từ -40°C đến 125°C với thời gian dừng 10 phút. Nhiều OEM ô tô chỉ định 3.000 chu kỳ trở lên cho các ứng dụng quan trọng về an toàn như BMS và ADAS. Mỗi chu kỳ khiến mạch uốn phải chịu sự giãn nở nhiệt và ứng suất co lại.

Sự khác biệt giữa AEC-Q100 và AEC-Q200 đối với PCB linh hoạt là gì?

AEC-Q100 bao gồm các mạch tích hợp và thường được tham chiếu về độ tin cậy của mạch linh hoạt. AEC-Q200 đặc biệt bao gồm các thành phần thụ động. Đối với bản thân PCB linh hoạt, các nhà sản xuất thường đủ điều kiện đáp ứng IPC-6013 Loại 3/A (phụ lục ô tô) kết hợp với các yêu cầu dành riêng cho OEM bắt nguồn từ các bài kiểm tra sức chịu tải AEC-Q100.

PCB linh hoạt ô tô có cần các đầu nối đặc biệt không?

Đúng. Đầu nối FPC tiêu chuẩn được xếp hạng cho thiết bị điện tử tiêu dùng (thường ở nhiệt độ 85°C) sẽ không hoạt động trong môi trường ô tô. Chỉ định đầu nối ZIF được xếp hạng dành cho ô tô với phạm vi nhiệt độ hoạt động phù hợp với ứng dụng của bạn, cơ chế khóa để ngăn chặn tình trạng ngắt kết nối do rung gây ra và lớp mạ vàng tiếp xúc để chống ăn mòn.

PCB flex cấp ô tô có giá bao nhiêu so với flex tiêu chuẩn?

PCB linh hoạt dành cho ô tô có giá cao hơn 30-80% so với loại tương đương dành cho người tiêu dùng do nâng cấp vật liệu (polyimide không dính, đồng RA), thử nghiệm bổ sung (chu trình nhiệt, HAST), kiểm soát quy trình chặt chẽ hơn (Cpk > 1,67) và yêu cầu về tài liệu (PPAP). Xem hướng dẫn định giá của chúng tôi để biết thông tin chi tiết.

Tài liệu tham khảo

• [Nghiên cứu thị trường bảng mạch in linh hoạt](https://www.marketresearchfuture.com/reports/flexible-printed- Circuit-board-market-1198) -- Tương lai nghiên cứu thị trường
• Tiêu chuẩn chất lượng AEC-Q100 -- Wikipedia
• Tiêu chuẩn chứng nhận IPC-6013 dành cho bảng in linh hoạt -- Tổng quan về tiêu chuẩn IPC
• IATF 16949 Quản lý chất lượng ô tô -- Wikipedia