1. Definice a klasifikace automobilové elektroniky
Automobilové desky plošných spojů se vztahují na desky s plošnými spoji určené pro použití v elektronice vozidel. Automobilová elektronika se dělí do dvou hlavních skupin. Jednou skupinou jsou řídicí systémy elektroniky karoserie. Druhou skupinou jsou řídicí systémy elektroniky ve vozidle. Řídicí systémy karoserie lze dále rozdělit. Zahrnují řídicí systémy motoru, řídicí systémy karoserie pro dveře a světla a řídicí systémy podvozku. Systémy řízení karoserie propojují mechanické části vozu s elektronickými částmi. Umožňují elektronice, aby mechanické části fungovaly lépe. Napomáhají hladšímu a bezpečnějšímu chodu vozu.
Elektronické systémy ve vozidle zahrnují multimediální systém, navigační systém, záznamník jízdy, parkovací radar a další systémy. Tyto systémy usnadňují používání vozu a přidávají zábavní funkce. Mění způsob, jakým řidiči a cestující používají vozidlo. Zlepšují celkový uživatelský zážitek.
2. Rostoucí poptávka díky inteligentním technologiím v automobilovém průmyslu
S tím, jak se automobily stávají chytřejšími, roste i využití automobilových desek plošných spojů. Signály běží rychleji a na vyšší frekvenci. DPS proto musí být efektivní a zároveň velmi spolehlivé.
3. Hlavní výhody desek plošných spojů pro automobilový průmysl
PCB se používají stále častěji, protože mají mnoho silných výhod. Umožňují vysokou hustotu součástek. Vyvíjejí se tedy s vyšší integrací integrovaných obvodů a s lepší technologií montáže. Jsou také velmi spolehlivé. Mnoho kontrol, testů a zkoušek stárnutí napomáhá tomu, aby fungovaly dlouhou dobu bez poruch. Nejdůležitějším bodem je, že desky plošných spojů lze osazovat. DPS umožňují snadnou montáž standardních součástek. Jsou vhodné pro automatizovanou a hromadnou výrobu. DPS můžete osadit dalšími součástmi a vytvořit tak větší moduly, systémy a celé stroje.
4. Vyšší poptávka po PCB v nových energetických vozidlech
V porovnání s tradičními automobily používají nová energetická vozidla více elektronických panelů. Na jedné straně elektronické systémy v nových energetických automobilech vyžadují více elektronického řízení než v tradičních systémech pohonu se spalovacími motory. Na druhé straně je jádrem vozidel na novou energii baterie, motor a elektronické řízení. Tyto části zvyšují obsah elektroniky mnohem více než v běžných automobilech. Tyto dva faktory zvyšují počet desek plošných spojů, které automobil potřebuje. Rovněž posouvají typy desek plošných spojů od levných desek k deskám s vyšší hodnotou. Hodnota desek plošných spojů pro automobily v přepočtu na jedno vozidlo neustále roste.
Procesní požadavky na desky plošných spojů pro automobilový průmysl
1. Výběr materiálu
U každé desky plošných spojů kvalita materiálu výrazně ovlivňuje kvalitu celého výrobku. Při výrobě desek plošných spojů pro automobilový průmysl je třeba myslet na to, jak prostředí automobilu ovlivňuje materiály. Proto pro automobilové desky plošných spojů vybírejte vysoce kvalitní materiály. Vybírejte materiály, které snesou vysoké a nízké teploty, vysoký tlak a další náročné podmínky.
Substráty s vysokým obsahem Tg: Použijte epoxidové pryskyřice s Tg ≥ 170 °C. (Normální FR-4 má Tg kolem 130 °C.) Při 150 °C klesá pevnost v ohybu na pouhou šestinu pevnosti na běžných substrátech.
Polyimid (PI): V blízkosti turbodmychadel používejte substráty PI s Tg do 260 °C. PI zvládne krátkodobě extrémní prostředí až do 200 °C.
Vybírejte materiály s ohledem na pevnost a dlouhodobou stabilitu. Vybírejte materiály odolné vůči teplu, vlhkosti a chemickému namáhání. Tyto volby pomáhají desce plošných spojů udržet stabilní elektrické a mechanické vlastnosti v automobilu.
2. Pravidla pro navrhování
Výroba desek plošných spojů pro automobilový průmysl je složitý proces. Abyste vyrobili správnou automobilovou desku plošných spojů, musíte dodržovat mnoho pravidel návrhu a výrobních norem. Konstruktéři PCB musí tato pravidla znát. Konstruktéři se musí pečlivě řídit normami.
Tabulka běžných procesních problémů, řešení a výsledků:
| Společné výzvy | Řešení | Výsledky |
|---|---|---|
| Selhání vibrací | Silnostěnné pokovené průchozí otvory (vrstva mědi ≥ 25 μm) a zaoblené rohy. | Po milionu vibračních cyklů (desetinásobek spotřebitelské úrovně) nedošlo k odlepení. |
| Úzké hrdlo pro teplo | Zapuštěné měděné bloky a pole mikrootvorů (průměr otvorů ≤ 0,2 mm). | Místní tepelný odpor klesne o 35%. Teplota spoje IGBT < 125 °C. |
| Riziko pájení | Použijte bezolovnatou pájku SAC305 (teplota tání 217 °C) a pozlacené plošky. | Pevnost pájecího spoje si zachovává hodnotu vyšší než 95% při 150 °C. |
Návrh by měl zahrnovat také rozvržení, rozteče, velikosti podložek, průchodky a tepelné odlehčení. Používejte zaoblené rohy stop a správné umístění průchodek. Věnujte pozornost otvorům pro mechanickou montáž a okrajům desky. V místech, kde se deska připevňuje k šasi, přidejte výztuhy. Ujistěte se, že deska splňuje požadavky na vibrace a rázy vozidla.
3. Průběh procesu
Při výrobě desek plošných spojů pro automobilový průmysl se postupuje podle sady standardizovaných procesních kroků. Tím je zajištěn hladký průběh výrobního cyklu. Sledujte podrobnosti v každém kroku. V klíčových krocích přidejte kontrolní body kvality, abyste se ujistili, že konečný výrobek splňuje požadavky. V definovaných bodech provádějte vizuální kontrolu, kontrolu rozměrů, elektrické zkoušky a zkoušky vlivu prostředí. Používejte automatickou optickou kontrolu (AOI), rentgen a testy létající sondou, abyste včas našli vady.
4. Směry technického rozvoje
Kromě výše uvedených procesních potřeb sledujte i nové trendy v oblasti technologií PCB. Elektromobily, pokročilá asistence řidiče a samořízená auta posouvají technologie PCB kupředu. Mezi hlavní budoucí směry patří:
Konstrukce vícevrstvých desek: S rostoucími požadavky na kvalitu signálu se stále častěji používají vícevrstvé konstrukce. Více vrstev pomáhá s vedením signálu a uzemněním a pomáhá kontrolovat impedanci.
Vysokorychlostní přenos signálu: Automobily potřebují rychlejší výměnu informací. Vysokorychlostní přenos signálu je klíčovou technologií. Kontrolujte impedanci, používejte řízené dielektrikum a správně umístěte zemní roviny.
Miniaturizace a lehká konstrukce: Karoserie se snaží o zmenšení a odlehčení dílů. DPS musí splňovat nové požadavky na cenu a stabilitu. Tenčí desky a kompaktní provedení pomáhají šetřit místo a hmotnost.
Celkově lze říci, že desky plošných spojů pro automobilový průmysl vyžadují vysoké technické a procesní standardy. Pro splnění těchto požadavků je třeba zvážit mnoho aspektů. Jen tak můžete zaručit výkon a kvalitu DPS. S rozvojem technologií bude automobilový průmysl stále chytřejší. Průmysl výroby desek plošných spojů se bude také neustále inovovat a zlepšovat.
Napájení a zemnící trasy pro desky plošných spojů automobilové elektroniky
V automobilových audio a video systémech, jako jsou přehrávače CD a VCD, se používá mnoho digitálních zařízení CMOS a analogových zařízení se smíšeným signálem. Když tato zařízení pracují současně, způsobují změny úrovně napájení a uzemnění na desce plošných spojů. Tyto změny vedou ke špičkám signálu, překmitům nebo tlumeným oscilacím.
Správné uspořádání napájecích tras má za cíl snížit úbytek napětí a vysokofrekvenční elektromagnetický konverzní šum způsobený vedením a impedancí. Nenavrhujte výkonové trasy s tenkými středy a tlustými konci. Tento vzor může způsobit velké úbytky napětí. Používejte ohyby s velkým poloměrem místo ostrých zatáček. Lepší je zaoblený tvar oblouku. Kde je to dovoleno, zvětšete průchodky. Je-li to možné, přidejte v blízkosti průchodek filtrační kondenzátory.
Uzemnění pomáhá elektromagnetické kompatibilitě (EMC) dvěma hlavními způsoby. Zaprvé, uzemnění zmenšuje plochu signálové smyčky. To snižuje vyzařování a zlepšuje odolnost proti rušení. Za druhé, uzemnění snižuje přeslechy mezi stopami nebo obvody. Uzemnění poskytuje elektromagnetické energii dobrou zpětnou cestu zpět ke zdroji. Díky tomu se energie nedostane k chráněným vodičům.
Charakteristická impedance stop desky plošných spojů přímo ovlivňuje odolnost desky proti rušení. Nižší odpor snižuje společnou impedanci a následně snižuje rušení na zemnícím vedení.
Rozdělte tabuli na funkční zóny. Propojte paralelně zemnicí vedení každé zóny a poté je spojte do jednoho bodu. Pokud má deska více obvodových jednotek, dejte každé jednotce samostatnou zpětnou zemní smyčku. Poté každou jednotku připojte k jednomu společnému zemnicímu bodu. Tím zabráníte tomu, aby zemní proud jedné jednotky tekl do ostatních. Zamezí se tak vzájemnému přeslechu.
Napájecí a zemnící stopy jsou co nejširší. U zařízení s roztečí 0,5 mm udržujte šířku stopy nejméně 0,3 mm (12 mil). Na deskách se smíšeným signálem oddělte digitální zem od analogové. V opačném případě se může prudce zvýšit elektromagnetické vyzařování a přeslechy signálů. To způsobuje problémy s EMC. Umístěte proto digitální a analogové obvody do různých zón pro rozvržení a směrování.
Směrování signálů v deskách plošných spojů pro automobilový průmysl
V automobilech jsou běžné svazky vodičů. Různé úrovně napětí, velikosti proudu a směry jsou svázány dohromady. Špatné umístění citlivých komponent nebo nekvalitní komponenty mohou způsobovat elektromagnetické rušení (EMI). Špatné vedení signálu může způsobit šum. Při rozvržení signálů dbejte na tato pravidla:
Vyhněte se náhlým změnám impedance na signálových stopách.
Zmenšete velikost signální smyčky, abyste snížili vyzařování.
Ujistěte se, že stopy na sousedních signálních vrstvách jsou na sebe kolmé.
Vysokorychlostní digitální a nízkoúrovňové analogové signálové stopy umístěte vedle zemních rovin. Nízkorychlostní a vysokoúrovňové analogové signálové stopy umístěte na vzdálenější vrstvy.
Vyhněte se paralelnímu vedení vstupních a výstupních linek. To snižuje zpětnovazební vazbu.
Pro vysokorychlostní signály použijte směrování diferenciálního páru. To snižuje elektromagnetické vyzařování.
Použití FPC v nových energetických vozidlech
1. Omezení tradičních měděných kabelových svazků
Sběrná vedení jsou nezbytnou součástí systému řízení baterií (BMS) v nových energetických vozidlech. Sledují napětí a teplotu článků výkonových baterií. Propojují sběr a přenos dat a často mají nadproudovou ochranu. Chrání články baterie a při zkratu se automaticky odpojují.
Dříve se pro zapojení sběračů baterií používaly tradiční svazky měděných vodičů. Každý svazek používal měděnou izolaci z plastu. Při existenci mnoha proudových signálů bylo potřeba mnoho svazků. To zabírá místo. V kroku montáže balíčku připevňovali pracovníci konce svazků k akumulátoru ručně. To přináší nízkou míru automatizace.
2. Výhody a podrobnosti FPC
Oproti měděným svazkům mají FPC (ohebné desky s plošnými spoji) své výhody. Jsou vysoce integrované, velmi tenké a vysoce flexibilní. Tyto vlastnosti napomáhají bezpečnosti, nízké hmotnosti a přehlednému uspořádání. Desky FPC jsou také tenké a lze je přizpůsobit bateriovému bloku. Během montáže je mohou robotická ramena vybírat a umisťovat přímo na bateriový blok. To usnadňuje automatizaci a podporuje hromadnou výrobu. FPC jednoznačně směřují k nahrazení měděných svazků.
Výhody a podrobnosti:
Bezpečnostní výkon: Pro připojení k přípojnicím se používá kovová fólie. Mohou zahrnovat konstrukci pojistkové ochrany. Tím jsou zajištěny vysokorychlostní signálové cesty. Pokud dojde ke zkratu, pojistka FPC se roztaví a přeruší vedení. Tím se zabrání požáru nebo výbuchu v jiných částech akumulátorové sady.
Lehké: V porovnání s kabelovými svazky a některými deskami plošných spojů používanými pro sběr signálů zabírají FPC méně místa a váží méně.
Flexibilita procesu: FPC odstraňují mnoho manuálních kroků při připojování. Umožňují ultrazvukové svařování, pájení a další procesy. Tloušťka obvodu může být 0,34 mm a plocha NTC 2 mm. Mohou se ohýbat o 90° nebo 180°. Tyto vlastnosti poskytují velkou volnost při navrhování.
Automatizovaná výroba: FPC mají pravidelné tvary a vysokou integraci. Omezují ruční vedení vodičů. Jsou vhodné pro mechanickou velkosériovou výrobu. Tím se výrazně zkracuje doba montáže a snižuje pracnost. Podporují automatizaci montáže bateriových bloků.
Trh s PCB pro automobilový průmysl
1. Hnací síly trhu a klíčové certifikace
V posledních letech byl růst odvětví výroby desek plošných spojů způsoben nástupem nových energetických vozidel. DPS jsou konstrukčním základem elektronických součástek. Hrají klíčovou roli v řízení napájení, bezpečnostním řízení, elektronice karoserie a informačních a zábavních systémech.
Vozidla na novou energii potřebují více elektronického řízení než automobily na tradiční paliva. Trendy jako elektrifikace, inteligence a síťové připojení zvyšují poptávku po špičkových deskách plošných spojů pro automobily. Tato poptávka má přísné požadavky na spolehlivost. DPS musí často projít dlouhými testy. Testy mohou trvat jeden až tři roky, než součástka získá schválení dodavatele.
Automobilový elektronický průmysl má přísné normy pro výrobky určené pro automobily. Mezi klíčové certifikace patří AEC-Q100, IPC-6011 a IATF 16949. Tyto normy zvyšují vstupní bariéru a vytvářejí technický příkop pro kvalifikované dodavatele desek plošných spojů.
Globální trh s deskami plošných spojů pro automobilový průmysl nadále roste. Klíčovým faktorem je zavádění nových energetických vozidel. Společnost Tesla, která je světovým lídrem v oblasti elektromobilů, používá velké množství desek plošných spojů na jeden vůz. V modelové řadě Tesla používají měniče a BMS mnoho desek plošných spojů. To zvyšuje hodnotu PCB na jeden vůz.
Elektrifikace a trendy v oblasti inteligence budou trh nadále posouvat. Asijsko-pacifický region a Čína budou i nadále vykazovat silný růst. Domácí výrobci v Číně mají stále prostor pro růst na globálním trhu.
2. Typy desek plošných spojů pro automobilový průmysl
Mezi desky plošných spojů pro automobilový průmysl patří vícevrstvé desky plošných spojů, flexibilní desky plošných spojů (FPC), desky HDI (propojení s vysokou hustotou), vysokofrekvenční desky plošných spojů a další typy. Každý typ má jiné materiály a použití. Každý z nich plní svou roli v různých scénářích.
3. Údaje o trhu a trendy
Čísla a trendy na trhu (shrnutí údajů z odvětví):
Předpověď ukázala, že celosvětový trh s deskami plošných spojů pro automobilový průmysl bude v roce 2022 činit $8,84 miliardy USD. Očekává se, že do roku 2030 dosáhne $13,39 miliardy USD. Složená roční míra růstu (CAGR) činí 5,6%.
V asijsko-pacifickém regionu činil trh v roce 2021 $4,42 miliardy USD. USD v roce 2022.
Hlavním faktorem zvyšujícím poptávku po deskách plošných spojů je růst počtu vozidel na novou energii. V roce 2019 byly hodnoty PCB pro jednotlivá vozidla zhruba následující: automobily nižší třídy $30-40, automobily střední třídy $50-70, automobily vyšší třídy $100-150. S elektrifikací a dalšími trendy by hodnota PCB na jedno vozidlo měla prudce vzrůst. Předpověď předpokládá, že celosvětový trh s deskami plošných spojů pro automobily dosáhne do roku 2028 hodnoty $12,48 miliardy USD. CAGR od roku 2020 do roku 2028 činil přibližně 5,3%.
Podle jiné prognózy dosáhne celosvětový trh s deskami plošných spojů pro nová energetická vozidla do roku 2025 hodnoty 30,095 miliardy RMB. Jeho CAGR je mnohem vyšší než u vozidel na tradiční paliva. Naproti tomu se očekávalo, že trh s deskami plošných spojů pro vozidla s tradičními palivy do roku 2025 klesne na přibližně 32,925 miliardy RMB.
Poptávka po PCB pro automobilový průmysl se soustřeďuje na vícevrstvé desky a špičkové oblasti HDI. Konkurence na trhu je větší ve střední a nižší třídě.
Údaje společnosti Jycircuitboard o podílu typů desek plošných spojů na automobilovém trhu ukazují:
1-2vrstvé desky plošných spojů: 26.93%
Čtyřvrstvé desky plošných spojů: 25.70%
6vrstvé desky plošných spojů: 17.37%
8-16vrstvé desky plošných spojů: 3.49%
Desky HDI: 9.56%
FPC (flexibilní desky plošných spojů): 14.57%
Substráty IC: 2.38%
Tato čísla ukazují, že vícevrstvé desky jsou hlavní potřebou v elektronice vozidel. HDI a FPC hrají důležitou roli ve špičkových aplikacích.
Závěrečné shrnutí
DPS pro automobilový průmysl se potýkají s přísnými technickými požadavky. Je třeba zvolit správné materiály. Musíte dodržovat přísná pravidla návrhu. Musíte používat kontrolované výrobní kroky a přísné testování. Musíte se zaměřit na vedení napájení a uzemnění a na správné vedení signálů. V bateriových systémech se stále častěji používají desky plošných spojů. Trh roste s elektrifikací a inteligencí vozidel. Velká poptávka bude po vysoce spolehlivých, vícevrstvých, HDI a FPC deskách. Výrobci musí splňovat normy a testovací cykly. To umožní dodavatelům podílet se na rostoucím automobilovém trhu.