Automobil-Leiterplatte

Kfz-Leiterplatten sind Leiterplatten, die für den Einsatz in der Fahrzeugelektronik hergestellt werden. Die Fahrzeugelektronik lässt sich in zwei Hauptgruppen einteilen. Die eine Gruppe sind Steuersysteme für die Karosserieelektronik. Die andere Gruppe sind Steuersysteme für die Fahrzeugelektronik. Die Karosseriesteuerungssysteme können weiter unterteilt werden. Sie umfassen Motorsteuerungssysteme, Karosseriesteuerungssysteme für Türen und Beleuchtung sowie Fahrgestellsteuerungssysteme. Karosseriesteuerungssysteme verbinden mechanische Teile des Fahrzeugs mit elektronischen Teilen. Sie sorgen dafür, dass die Elektronik die mechanischen Teile besser funktionieren lässt. Sie tragen dazu bei, dass das Auto reibungsloser und sicherer läuft.

Zu den elektronischen Systemen im Fahrzeug gehören das Multimediasystem, das Navigationssystem, der Fahrtenschreiber, das Rückwärtseinparkradar und andere Systeme. Diese Systeme machen das Fahrzeug benutzerfreundlicher und bieten zusätzliche Unterhaltungsfunktionen. Sie verändern die Art und Weise, wie Fahrer und Beifahrer das Fahrzeug nutzen. Sie verbessern das allgemeine Benutzererlebnis.

Da die Autos immer intelligenter werden, steigt auch der Bedarf an Leiterplatten für Kraftfahrzeuge. Die Signale laufen schneller und mit höherer Frequenz. Daher müssen Leiterplatten effizient und gleichzeitig sehr zuverlässig sein.

Leiterplatten werden immer häufiger verwendet, weil sie viele Vorteile haben. Sie ermöglichen eine hohe Dichte von Bauteilen. So entwickeln sie sich mit der höheren Integration integrierter Schaltungen und mit besserer Montagetechnik weiter. Außerdem sind sie sehr zuverlässig. Zahlreiche Inspektions-, Prüf- und Alterungstests tragen dazu bei, dass sie lange Zeit ohne Ausfälle funktionieren. Der wichtigste Punkt ist, dass Leiterplatten bestückt werden können. PCBs machen es einfach, Standardteile zu montieren. Sie eignen sich für die automatisierte und Massenproduktion. Sie können Leiterplatten mit anderen Teilen zu größeren Modulen, Systemen und ganzen Maschinen zusammenbauen.

Im Vergleich zu herkömmlichen Autos verwenden neue Energiefahrzeuge mehr elektronische Schalttafeln. Einerseits müssen die elektronischen Systeme in neuen Energieautos stärker elektronisch gesteuert werden als in herkömmlichen Verbrennungsmotoren. Andererseits bilden die Batterie, der Motor und die elektronische Steuerung den Kern der neuen Energiefahrzeuge. Durch diese Teile ist der Anteil der Elektronik viel höher als bei herkömmlichen Autos. Diese beiden Faktoren erhöhen den Bedarf an Leiterplatten für ein Auto. Sie führen auch dazu, dass die Leiterplattenarten von kostengünstigen zu höherwertigen Leiterplatten wechseln. Der Wert von Leiterplatten für Kraftfahrzeuge pro Fahrzeug steigt ständig.

Bei jeder Leiterplatte wirkt sich die Materialqualität stark auf die gesamte Produktqualität aus. Bei der Herstellung einer Kfz-Leiterplatte müssen Sie bedenken, wie sich die Umgebungsbedingungen im Auto auf die Materialien auswirken. Wählen Sie daher hochwertige Materialien für Kfz-Leiterplatten. Wählen Sie Materialien, die hohen und niedrigen Temperaturen, hohem Druck und anderen rauen Bedingungen standhalten können.

Substrate mit hoher Tg: Verwenden Sie Epoxidharze mit einer Tg ≥ 170°C. (Normales FR-4 hat eine Tg von ca. 130°C.) Bei 150°C sinkt die Biegefestigkeit auf nur etwa ein Sechstel des Wertes von normalen Substraten.

Polyimid (PI): Verwenden Sie PI-Substrate mit einer Tg von bis zu 260°C in der Nähe von Turboladern. PI kann kurzzeitig mit extremen Umgebungen bis zu 200°C umgehen.

Wählen Sie Materialien, die robust und langfristig stabil sind. Wählen Sie Materialien, die Hitze, Feuchtigkeit und chemischen Belastungen standhalten. Dies trägt dazu bei, dass die Leiterplatte im Auto stabile elektrische und mechanische Eigenschaften behält.

Die Herstellung von Leiterplatten für Kraftfahrzeuge ist ein komplexer Prozess. Um eine gute Leiterplatte für Kraftfahrzeuge herzustellen, müssen viele Designregeln und Fertigungsstandards beachtet werden. PCB-Designer müssen diese Regeln kennen. Die Designer müssen die Normen genau befolgen.

Tabelle mit allgemeinen Prozessherausforderungen, Lösungen und Ergebnissen:

Die Entwurfsarbeit sollte auch Layout, Abstände, Pad-Größen, Durchkontaktierungen und thermische Entlastung umfassen. Verwenden Sie abgerundete Leiterbahnecken und die richtige Platzierung von Durchkontaktierungen. Achten Sie auf mechanische Befestigungslöcher und Platinenränder. Fügen Sie Verstärkungen an den Stellen hinzu, an denen die Leiterplatte mit dem Gehäuse verbunden ist. Stellen Sie sicher, dass die Platine den Vibrations- und Stoßanforderungen des Fahrzeugs entspricht.

Bei der Herstellung von Leiterplatten für die Automobilindustrie sind eine Reihe von standardisierten Prozessschritten zu beachten. Dies gewährleistet einen reibungslosen Produktionszyklus. Achten Sie bei jedem Schritt auf die Details. Fügen Sie bei wichtigen Schritten Qualitätskontrollpunkte hinzu, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den Anforderungen entspricht. Führen Sie visuelle Inspektionen, Maßprüfungen, elektrische Tests und Umwelttests an bestimmten Punkten durch. Nutzen Sie die automatische optische Inspektion (AOI), Röntgen- und Flying-Probe-Tests, um Fehler frühzeitig zu erkennen.

Neben den oben genannten Prozessanforderungen sollten Sie auch die aufkommenden Trends in der Leiterplattentechnologie im Auge behalten. Elektrofahrzeuge, fortschrittliche Fahrerassistenz und selbstfahrende Autos treiben die Leiterplattentechnologie voran. Die wichtigsten zukünftigen Richtungen sind:

Multilayer-Leiterplattenentwurf: Da die Anforderungen an die Signalqualität steigen, werden mehrlagige Designs immer üblicher. Mehr Lagen erleichtern die Signalführung und Erdung und helfen bei der Impedanzkontrolle.

Hochgeschwindigkeits-Signalübertragung: Autos brauchen einen schnelleren Informationsaustausch. Das Design von Hochgeschwindigkeitssignalen ist eine Kerntechnologie. Kontrollieren Sie die Impedanz, verwenden Sie ein kontrolliertes Dielektrikum und platzieren Sie die Erdungsebenen richtig.

Miniaturisierung und Leichtbau: Autokarosserien verlangen nach kleineren, leichteren Teilen. Leiterplatten müssen neue Kosten- und Stabilitätsanforderungen erfüllen. Dünnere Leiterplatten und kompakte Designs helfen, Platz und Gewicht zu sparen.

Insgesamt erfordern Leiterplatten für die Automobilindustrie hohe technische und verfahrenstechnische Standards. Um diese Anforderungen zu erfüllen, müssen Sie viele Aspekte berücksichtigen. Nur dann können Sie die Leistung und Qualität der Leiterplatten garantieren. Mit dem technologischen Fortschritt wird die Automobilindustrie immer intelligenter werden. Auch die Leiterplattenindustrie wird sich ständig erneuern und verbessern.

In Auto-Audio- und Videosystemen wie CD- und VCD-Spielern werden viele CMOS-Digitalgeräte und analoge Mixed-Signal-Geräte verwendet. Wenn diese Geräte gleichzeitig arbeiten, verursachen sie Strom- und Massepegeländerungen auf der Leiterplatte. Diese Änderungen führen zu Signalspitzen, Überschwingen oder gedämpften Schwingungen.

Ein geeignetes Layout für die Stromversorgungsleitungen zielt darauf ab, den Spannungsabfall und das hochfrequente elektromagnetische Umwandlungsrauschen zu reduzieren, das durch Leitungen und Impedanz verursacht wird. Entwerfen Sie keine Stromversorgungsleitungen mit dünnen Mitten und dicken Enden. Dieses Muster kann zu großen Spannungsabfällen führen. Verwenden Sie Biegungen mit großem Radius anstelle von scharfen Kurven. Eine abgerundete Bogenform ist besser. Vergrößern Sie Durchkontaktierungen, wo dies möglich ist. Fügen Sie nach Möglichkeit Filterkondensatoren in der Nähe von Durchkontaktierungen hinzu.

Die Erdungsführung trägt in zweierlei Hinsicht zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bei. Erstens reduziert die Erdung den Bereich der Signalschleife. Dadurch wird die Strahlung reduziert und die Störfestigkeit verbessert. Zweitens wird durch die Erdung das Übersprechen zwischen Leiterbahnen oder Schaltkreisen reduziert. Die Erde bietet der elektromagnetischen Energie einen guten Rückweg zur Quelle. Dadurch wird verhindert, dass die Energie geschützte Leiter erreicht.

Der Wellenwiderstand von Leiterbahnen wirkt sich direkt auf die Störfestigkeit der Leiterplatte aus. Ein geringerer Widerstand verringert die gemeinsame Impedanz und damit auch die Störungen auf der Masseleitung.

Unterteilen Sie die Platine in Funktionszonen. Verbinden Sie die Masseleitungen jeder Zone parallel und verbinden Sie sie dann mit einem einzigen Punkt. Wenn die Platine mehrere Schaltungseinheiten hat, geben Sie jeder Einheit eine eigene Erdungsrückleitung. Verbinden Sie dann jede Einheit mit einem einzigen gemeinsamen Erdungspunkt. Dadurch wird verhindert, dass der Erdungsstrom einer Einheit in die anderen fließt. So wird ein gegenseitiges Übersprechen vermieden.

Führen Sie Stromversorgungs- und Masseleitungen so breit wie möglich aus. Bei Geräten mit 0,5 mm Raster sollte die Leiterbahnbreite nicht weniger als 0,3 mm (12 mil) betragen. Trennen Sie auf Mixed-Signal-Platinen die digitale Masse von der analogen Masse. Andernfalls können elektromagnetische Strahlung und Signalübersprechen stark zunehmen. Das führt zu EMV-Problemen. Platzieren Sie daher digitale und analoge Schaltungen in verschiedenen Zonen für Layout und Routing.

In Autos sind Kabelbündel üblich. Unterschiedliche Spannungspegel, Stromstärken und Richtungen werden zusammen gebündelt. Eine schlechte Platzierung empfindlicher Komponenten oder minderwertige Komponenten können elektromagnetische Störungen (EMI) verursachen. Eine schlechte Signalführung kann Rauschen verursachen. Achten Sie beim Layouten von Signalen auf diese Regeln:

Vermeiden Sie plötzliche Impedanzänderungen auf Signalleitungen.

Reduzieren Sie die Größe der Signalschleifen, um die Strahlung zu verringern.

Achten Sie darauf, dass Leiterbahnen auf benachbarten Signallagen orthogonal zueinander verlaufen.

Legen Sie digitale Leiterbahnen mit hoher Geschwindigkeit und analoge Leiterbahnen mit niedrigem Pegel in die Nähe von Masseflächen. Legen Sie analoge Leiterbahnen mit niedriger Geschwindigkeit und hohem Pegel auf weiter entfernte Ebenen.

Vermeiden Sie die parallele Verlegung von Eingangs- und Ausgangsleitungen. Das reduziert die Rückkopplung.

Verwenden Sie für Hochgeschwindigkeitssignale ein differentielles Leitungspaar. Das verringert die elektromagnetische Strahlung.

Stromabnehmerleitungen sind ein wesentlicher Bestandteil des BMS (Batteriemanagementsystems) in Fahrzeugen mit neuer Energie. Sie überwachen die Zellspannung und die Temperatur der Leistungsbatteriezellen. Sie verbinden Datenerfassung und -übertragung und verfügen häufig über einen Überstromschutz. Sie schützen die Batteriezellen und schalten sich bei Kurzschlüssen automatisch ab.

Früher wurden für die Verkabelung der Batteriekollektoren herkömmliche Kupferkabelbäume verwendet. Jeder Kabelbaum war aus Kupfer und mit Kunststoff isoliert. Wenn viele Stromsignale vorhanden sind, wurden viele Kabelbäume benötigt. Das braucht Platz. Bei der Montage des Batteriepakets befestigten die Arbeiter die Kabelbaumenden manuell am Batteriepaket. Das ergibt einen geringen Automatisierungsgrad.

Im Vergleich zu Kupferkabelbäumen haben FPCs (flexible Leiterplatten) Vorteile. Sie sind hoch integriert, sehr dünn und äußerst flexibel. Diese Eigenschaften tragen zur Sicherheit, zum geringen Gewicht und zum übersichtlichen Layout bei. Außerdem sind FPCs dünn und können individuell an das Akkupaket angepasst werden. Bei der Montage können sie von Roboterarmen direkt auf dem Akkupack platziert werden. Das macht die Automatisierung einfacher und unterstützt die Massenproduktion. FPCs sind eindeutig in der Lage, Kupferkabelbäume zu ersetzen.

Vorteile und Details:

Sicherheitsleistung: FPCs verwenden Metallfolien zur Verbindung mit Stromschienen. Sie können mit Sicherungen ausgestattet sein. Dies gewährleistet Hochgeschwindigkeitssignalwege. Bei einem Kurzschluss schmilzt die FPC-Sicherung und unterbricht die Leitung. Dadurch werden Brände oder Explosionen in anderen Teilen des Akkupacks verhindert.

Geringes Gewicht: Im Vergleich zu Kabelbäumen und einigen Leiterplatten, die zur Signalerfassung verwendet werden, benötigen FPCs weniger Platz und wiegen weniger.

Prozessflexibilität: Mit FPCs entfallen viele manuelle Verbindungsschritte. Sie ermöglichen Ultraschallschweißen, Löten und andere Verfahren. In der Dicke kann der Schaltkreisbereich 0,34 mm und der NTC-Bereich 2 mm betragen. Sie können um 90° oder 180° gebogen werden. Diese Eigenschaften bieten eine große Designfreiheit.

Automatisierte Produktion: FPCs haben regelmäßige Formen und eine hohe Integration. Sie reduzieren das manuelle Verlegen von Drähten. Sie eignen sich für die maschinelle Großserienfertigung. Dadurch werden Montagezeit und Arbeitsaufwand erheblich reduziert. Sie unterstützen die Automatisierung der Montage von Batteriepacks.

In den letzten Jahren hat der Aufstieg der neuen Energiefahrzeuge das Wachstum der PCB-Industrie vorangetrieben. Leiterplatten sind die strukturelle Grundlage für elektronische Teile. Sie spielen eine Schlüsselrolle bei der Leistungssteuerung, der Sicherheitssteuerung, der Karosserieelektronik und den Infotainmentsystemen.

Fahrzeuge mit neuer Energie benötigen mehr elektronische Steuerung als herkömmliche Benzinautos. Trends wie Elektrifizierung, Intelligenz und Netzwerkanbindung erhöhen die Nachfrage nach High-End-Leiterplatten für die Automobilindustrie. Diese Nachfrage ist mit strengen Zuverlässigkeitsanforderungen verbunden. Oft müssen die Leiterplatten lange Tests bestehen. Die Tests können ein bis drei Jahre dauern, bevor ein Teil die Zulassung des Lieferanten erhält.

Die Automobilelektronikindustrie hat strenge Normen für Produkte in Automobilqualität. Zu den wichtigsten Zertifizierungen gehören AEC-Q100, IPC-6011 und IATF 16949. Diese Normen erhöhen die Eintrittsbarriere und schaffen einen technischen Graben für qualifizierte PCB-Lieferanten.

Der weltweite Markt für Leiterplatten für die Automobilindustrie wächst weiter. Die Einführung von Fahrzeugen mit neuer Energie ist ein wichtiger Treiber. Als weltweit führender Hersteller von Elektrofahrzeugen verwendet Tesla eine große Anzahl von Leiterplatten pro Fahrzeug. In der Tesla-Modellreihe werden für Wechselrichterteile und BMS viele Leiterplatten verwendet. Das erhöht den Wert der Leiterplatten pro Fahrzeug.

Die Trends zur Elektrifizierung und zur Intelligenz werden den Markt weiter antreiben. Der asiatisch-pazifische Raum und China werden weiterhin ein starkes Wachstum verzeichnen. Die einheimischen Hersteller in China haben auf dem Weltmarkt noch Wachstumspotenzial.

Zu den Leiterplatten für Kraftfahrzeuge gehören mehrlagige Leiterplatten, flexible Leiterplatten (FPC), HDI-Leiterplatten (High-Density Interconnect), Hochfrequenzleiterplatten und andere Typen. Jeder Typ hat unterschiedliche Materialien und Verwendungszwecke. Jede erfüllt eine bestimmte Rolle in verschiedenen Szenarien.

Marktzahlen und -trends (Zusammenfassung aus Branchendaten):

Einer Prognose zufolge belief sich der weltweite Leiterplattenmarkt für die Automobilindustrie im Jahr 2022 auf $8,84 Mrd. USD. Es wird erwartet, dass er bis 2030 $13,39 Mrd. USD erreichen wird. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) beträgt 5,6%.

Im asiatisch-pazifischen Raum belief sich der Markt im Jahr 2021 auf $4,42 Mrd. USD. Im Jahr 2022 stieg er auf $4,83 Mrd. USD.

Das Wachstum der neuen Energiefahrzeuge ist der wichtigste Faktor für die PCB-Nachfrage. Im Jahr 2019 lagen die PCB-Werte für ein einzelnes Fahrzeug ungefähr bei: $30-40 für Fahrzeuge der unteren Klasse, $50-70 für Fahrzeuge der mittleren Klasse und $100-150 für Fahrzeuge der oberen Klasse. Mit der Elektrifizierung und anderen Trends dürfte der Wert der Leiterplatten pro Fahrzeug stark ansteigen. Einer Prognose zufolge wird der weltweite Leiterplattenmarkt für die Automobilindustrie bis 2028 $12,48 Milliarden USD erreichen. Die CAGR von 2020 bis 2028 betrug etwa 5,3%.

Einer anderen Prognose zufolge wird der weltweite Markt für Leiterplatten für neue Energiefahrzeuge bis 2025 30,095 Milliarden RMB erreichen. Die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate ist viel höher als bei Fahrzeugen mit herkömmlichem Kraftstoff. Im Gegensatz dazu wird erwartet, dass der Markt für Leiterplatten für herkömmliche Kraftstofffahrzeuge bis 2025 auf etwa 32,925 Mrd. RMB fallen wird.

Die Nachfrage nach Leiterplatten für die Automobilindustrie konzentriert sich auf Mehrlagenleiterplatten und HDI-High-End-Bereiche. Der Wettbewerb auf dem Markt ist im mittleren und unteren Bereich größer.

Daten von Jycircuitboard zum Anteil der Leiterplattentypen auf dem Automobilmarkt zeigen:

1-2-Lagen-Leiterplatten: 26.93%

4-lagige Leiterplatten: 25.70%

6-Lagen-Leiterplatten: 17.37%

8-16-lagige PCBs: 3.49%

HDI-Karten: 9.56%

FPCs (flexible Leiterplatten): 14.57%

IC-Substrate: 2.38%

Diese Zahlen zeigen, dass Multilayer-Leiterplatten der Hauptbedarf in der Fahrzeugelektronik sind. HDI und FPC spielen bei High-End-Anwendungen eine wichtige Rolle.

Leiterplatten für die Automobilindustrie unterliegen strengen technischen Anforderungen. Sie müssen die richtigen Materialien wählen. Sie müssen strenge Designregeln befolgen. Sie müssen kontrollierte Fertigungsschritte und strenge Tests durchführen. Sie müssen sich auf die Stromversorgungs- und Masseverbindung sowie auf die richtige Signalführung konzentrieren. FPCs werden in Batteriesystemen immer häufiger eingesetzt. Der Markt wächst mit der Elektrifizierung und Intelligenz von Fahrzeugen. Hochzuverlässige, mehrlagige, HDI- und FPC-Platinen werden stark nachgefragt. Die Hersteller müssen Normen und Testzyklen einhalten. Nur so können die Zulieferer am wachsenden Automobilmarkt teilhaben.