1. Definición y clasificación de la electrónica del automóvil
Las placas de circuito impreso para automóviles son las que se utilizan en la electrónica de los vehículos. La electrónica del automóvil se divide en dos grupos principales. Un grupo son los sistemas de control electrónico de la carrocería. El otro grupo son los sistemas de control de la electrónica del vehículo. Los sistemas de control de la carrocería pueden desglosarse aún más. Incluyen los sistemas de control del motor, los sistemas de control de la carrocería para puertas y luces, y los sistemas de control del chasis. Los sistemas de control de la carrocería conectan los componentes mecánicos del coche con los electrónicos. Permiten que la electrónica haga que las piezas mecánicas funcionen mejor. Ayudan a que el coche funcione de forma más suave y segura.
Los sistemas electrónicos a bordo incluyen el sistema multimedia del coche, el sistema de navegación, el grabador de conducción, el radar de aparcamiento marcha atrás y otros sistemas. Estos sistemas facilitan el uso del coche y añaden funciones de entretenimiento. Cambian la forma en que los conductores y pasajeros utilizan el vehículo. Mejoran la experiencia general del usuario.
2. Creciente demanda impulsada por la inteligencia automovilística
A medida que los coches se hacen más inteligentes, aumenta el uso de placas de circuito impreso para automóviles. Las señales van más rápido y a mayor frecuencia. Por eso, las placas de circuito impreso deben ser eficientes y muy fiables al mismo tiempo.
3. Principales ventajas de las placas de circuito impreso para automoción
Las placas de circuito impreso se utilizan cada vez más porque tienen muchas ventajas. Permiten una alta densidad de piezas. Por eso evolucionan con la mayor integración de circuitos integrados y con una mejor tecnología de montaje. También son muy fiables. Numerosas pruebas de inspección, ensayo y envejecimiento ayudan a que funcionen durante mucho tiempo sin fallos. Lo más importante es que los PCB se pueden montar. Los PCB facilitan el montaje de piezas estándar. Se adaptan a la producción automatizada y en serie. Se pueden ensamblar placas de circuito impreso con otras piezas para fabricar módulos más grandes, sistemas y máquinas enteras.
4. Mayor demanda de PCB en los vehículos de nueva energía
En comparación con los coches tradicionales, los vehículos de nueva energía utilizan más paneles electrónicos. Por un lado, los sistemas electrónicos de los coches de nueva energía necesitan más control electrónico que en los sistemas tradicionales de propulsión de combustión interna. Por otro lado, el núcleo de los vehículos de nueva energía es la batería, el motor y el control electrónico. Estas piezas elevan el contenido electrónico mucho más que en los coches convencionales. Estos dos factores aumentan el número de PCB que necesita un coche. También hacen que los tipos de PCB pasen de placas de bajo coste a placas de mayor valor. El valor por vehículo de las placas de circuito impreso para automóviles sigue aumentando.
Requisitos del proceso para PCB de automoción
1. Selección de materiales
En cualquier circuito impreso, la calidad del material afecta en gran medida a la calidad de todo el producto. A la hora de fabricar una placa de circuito impreso para automóviles, hay que tener en cuenta cómo afectan los entornos automovilísticos a los materiales. Así que elija materiales de alta calidad para PCB de automoción. Elija materiales que puedan soportar altas y bajas temperaturas, alta presión y otras condiciones adversas.
Sustratos de alta Tg: Utilice resinas epoxi con Tg ≥ 170°C. (El FR-4 normal tiene Tg en torno a 130 °C.) A 150 °C, la resistencia a la flexión desciende a solo una sexta parte de la de los sustratos normales.
Poliamida (PI): Utilice sustratos PI con Tg de hasta 260°C cerca de los turbocompresores. PI puede soportar entornos extremos a corto plazo de hasta 200 °C.
Elija materiales resistentes y estables a largo plazo. Elija materiales resistentes al calor, la humedad y las agresiones químicas. De este modo, la placa de circuito impreso mantendrá estables sus propiedades eléctricas y mecánicas en el automóvil.
2. Normas de diseño
Fabricar placas de circuito impreso para automóviles es un proceso complejo. Para fabricar una PCB de automoción adecuada, hay que seguir muchas reglas de diseño y normas de fabricación. Los diseñadores de PCB deben conocer estas normas. Los diseñadores deben seguir las normas al pie de la letra.
Tabla de retos, soluciones y resultados habituales del proceso:
| Retos comunes | Soluciones | Resultados |
|---|---|---|
| Fallo por vibración | Agujeros pasantes chapados de pared gruesa (capa de cobre ≥ 25 μm) y esquinas redondeadas. | No se desprende tras un millón de ciclos de vibración (diez veces el nivel de consumo). |
| Cuello de botella térmico | Bloques de cobre incrustados y conjuntos de microagujeros (diámetro de los agujeros ≤ 0,2 mm). | La resistencia térmica local disminuye en 35%. Temperatura de unión IGBT < 125°C. |
| Riesgo de soldadura | Utilice soldadura sin plomo SAC305 (punto de fusión 217°C) y pastillas chapadas en oro. | La resistencia de la unión soldada se mantiene por encima de 95% a 150°C. |
El trabajo de diseño también debe abarcar la disposición, el espaciado, el tamaño de los pads, las vías y el alivio térmico. Utilice esquinas redondeadas y una colocación adecuada de las vías. Preste atención a los orificios de montaje mecánico y a los bordes de la placa. Añada refuerzos en los puntos de montaje de la placa en el chasis. Asegúrese de que la placa cumple los requisitos de vibración y choque del vehículo.
3. Flujo del proceso
Durante la fabricación de PCB para automoción, hay que seguir una serie de pasos de proceso estandarizados. Esto garantiza un ciclo de producción sin problemas. Vigile los detalles en cada paso. Añada puntos de control de calidad en los pasos clave para asegurarse de que el producto final cumple los requisitos. Realice inspecciones visuales, comprobaciones dimensionales, pruebas eléctricas y pruebas ambientales en puntos definidos. Utilice la inspección óptica automatizada (AOI), los rayos X y las pruebas de sonda volante para detectar defectos en una fase temprana.
4. Direcciones de desarrollo técnico
Más allá de las necesidades de proceso mencionadas, preste atención a las nuevas tendencias tecnológicas en PCB. Los vehículos eléctricos, la asistencia avanzada al conductor y los coches que se conducen solos impulsan las tecnologías de PCB. Entre las principales direcciones futuras se incluyen:
Diseño de placas multicapa: A medida que aumentan las exigencias de calidad de la señal, se generalizan los diseños multicapa. Un mayor número de capas facilita el enrutamiento y la conexión a tierra de la señal y ayuda a controlar la impedancia.
Transmisión de señales a alta velocidad: Los coches necesitan un intercambio de información más rápido. El diseño de señales de alta velocidad es una tecnología fundamental. Controle la impedancia, utilice dieléctricos controlados y coloque planos de tierra correctamente.
Miniaturización y diseño ligero: Las carrocerías exigen piezas más pequeñas y ligeras. Las placas de circuito impreso deben satisfacer nuevas necesidades de coste y estabilidad. Las placas más finas y los diseños compactos ayudan a ahorrar espacio y peso.
En general, las placas de circuito impreso (PCB) para automóviles exigen elevados estándares técnicos y de proceso. Debe tener en cuenta muchos aspectos para satisfacer estas necesidades. Sólo así podrá garantizar el rendimiento y la calidad de las placas de circuito impreso. A medida que avance la tecnología, la industria del automóvil seguirá haciéndose más inteligente. La industria de las placas de circuito impreso también seguirá innovando y mejorando.
Enrutado de alimentación y tierra para placas de circuito impreso de electrónica de automoción
En los sistemas de audio y vídeo de los coches, como los reproductores de CD y VCD, se utilizan muchos dispositivos digitales CMOS y dispositivos analógicos de señal mixta. Cuando estos dispositivos funcionan al mismo tiempo, provocan cambios de potencia y nivel de tierra en la placa de circuito impreso. Estos cambios provocan picos de señal, sobreimpulsos u oscilaciones amortiguadas.
Un trazado adecuado de las líneas de alimentación tiene como objetivo reducir la caída de tensión y el ruido de conversión electromagnética de alta frecuencia causado por las líneas y la impedancia. No diseñe las líneas de alimentación con extremos gruesos y medios finos. Ese patrón puede provocar grandes caídas de tensión. Utiliza curvas de radio amplio en lugar de giros bruscos. Es mejor una forma de arco redondeado. Aumente el tamaño de las vías siempre que sea posible. Añada condensadores de filtro cerca de las vías cuando sea posible.
El enrutamiento a tierra ayuda a la compatibilidad electromagnética (CEM) de dos maneras principales. En primer lugar, reduce el área de bucle de señal. Esto reduce la radiación y mejora la inmunidad a las interferencias. En segundo lugar, reduce la diafonía entre trazas o circuitos. La toma de tierra proporciona a la energía electromagnética una buena vía de retorno a la fuente. Esto impide que la energía llegue a los conductores protegidos.
La impedancia característica de las trazas de la placa de circuito impreso afecta directamente a la inmunidad de la placa a las interferencias. Una menor resistencia reduce la impedancia común y, por tanto, la interferencia de la línea de tierra.
Divida la placa en zonas funcionales. Una las líneas de tierra de cada zona en paralelo y, a continuación, átelas a un único punto. Si la placa tiene varias unidades de circuito, dé a cada unidad su bucle de retorno a tierra independiente. A continuación, conecte cada unidad a un único punto de tierra común. Esto evita que la corriente de tierra de una unidad fluya hacia las otras. Evita la diafonía mutua.
Las líneas de alimentación y masa deben ser lo más anchas posible. En dispositivos con paso de 0,5 mm, mantenga la anchura de las trazas no inferior a 0,3 mm (12 mil). En placas de señal mixta, separe la tierra digital de la analógica. De lo contrario, la radiación electromagnética y la diafonía de señales pueden aumentar considerablemente. Esto provoca problemas de compatibilidad electromagnética. Por tanto, coloque los circuitos digitales y analógicos en zonas diferentes para su diseño y trazado.
Enrutamiento de señales en placas de circuito impreso para automóviles
En los coches, los haces de cables son habituales. En ellos se combinan diferentes niveles de tensión, tamaños de corriente y direcciones. La mala colocación de componentes sensibles, o de baja calidad, puede crear interferencias electromagnéticas (EMI). Un mal trazado de las señales puede provocar ruido. Al trazar las señales, preste atención a estas reglas:
Evite los cambios bruscos de impedancia en las trazas de señal.
Reduzca el tamaño de los bucles de señal para reducir la radiación.
Asegúrese de que las trazas de las capas de señal adyacentes son ortogonales entre sí.
Coloque las trazas de señales digitales de alta velocidad y analógicas de bajo nivel junto a los planos de tierra. Coloca las trazas analógicas de baja velocidad y alto nivel en capas más alejadas.
Evite enrutar en paralelo las líneas de entrada y salida. Así se reduce el acoplamiento de realimentación.
Utilice enrutamiento de par diferencial para señales de alta velocidad. Así se reduce la radiación electromagnética.
Aplicación del CPF en vehículos de nueva energía
1. Limitaciones de los mazos de cables de cobre tradicionales
Las líneas colectoras son partes esenciales del BMS (sistema de gestión de baterías) en los vehículos de nueva energía. Controlan la tensión y la temperatura de las celdas de las baterías de energía. Conectan la recogida y transmisión de datos y suelen tener protección contra sobrecorriente. Protegen las celdas de la batería y se desconectan automáticamente en caso de cortocircuito.
Antes, el cableado del colector de la batería utilizaba mazos de cables de cobre tradicionales. Cada mazo utilizaba cobre aislado por plástico. Cuando existen muchas señales de corriente, se necesitan muchos mazos. Eso ocupa espacio. En la fase de montaje del pack, los trabajadores fijaban manualmente los extremos de los mazos al pack de baterías. Eso da poca automatización.
2. Ventajas y detalles de los CPF
En comparación con los arneses de cobre, los FPC (circuitos impresos flexibles) tienen ventajas. Están muy integrados, son muy finos y muy flexibles. Estas características contribuyen a la seguridad, la ligereza y el diseño ordenado. Además, los FPC son finos y pueden ajustarse a la medida de la batería. Durante el montaje, los brazos robóticos pueden recogerlos y colocarlos directamente en la batería. Esto facilita la automatización y la producción en serie. Los FPC tienden claramente a sustituir a los arneses de cobre.
Ventajas y detalles:
Prestaciones de seguridad: Los FPC utilizan láminas metálicas para conectarse a las barras colectoras. Pueden incluir un diseño de protección por fusible. Así se garantizan vías de señal de alta velocidad. Si se produce un cortocircuito, el fusible del FPC se funde y corta la línea. Esto evita incendios o explosiones en otras partes del pack de baterías.
Ligeros: En comparación con los mazos de cables y algunas placas de circuito impreso utilizadas para la captación de señales, los FPC ocupan menos espacio y pesan menos.
Flexibilidad del proceso: Los FPC eliminan muchos pasos manuales de los conectores. Permiten la soldadura por ultrasonidos, la soldadura y otros procesos. En grosor, el área del circuito puede ser de 0,34 mm y el área del NTC de 2 mm. Pueden doblarse 90° o 180°. Estas características proporcionan una gran libertad de diseño.
Producción automatizada: Los FPC tienen formas regulares y una gran integración. Reducen el cableado manual. Son idóneos para la producción mecánica a gran escala. Esto reduce en gran medida el tiempo de montaje y la mano de obra. Admiten la automatización del montaje de baterías.
Mercado de PCB para automoción
1. Impulsores del mercado y certificaciones clave
En los últimos años, el auge de los vehículos de nueva energía ha impulsado el crecimiento de la industria de las placas de circuito impreso. Las placas de circuito impreso son la base estructural de las piezas electrónicas. Desempeñan un papel clave en el control de potencia, el control de seguridad, la electrónica de la carrocería y los sistemas de infoentretenimiento.
Los vehículos de nueva energía necesitan más control electrónico que los coches de combustible tradicionales. Tendencias como la electrificación, la inteligencia y la conexión en red aumentan la demanda de placas de circuito impreso de gama alta para automóviles. Esta demanda tiene estrictos requisitos de fiabilidad. A menudo, las placas de circuito impreso deben superar largas pruebas. Las pruebas pueden durar de uno a tres años antes de que una pieza obtenga la aprobación del proveedor.
El sector de la electrónica del automóvil tiene normas estrictas para los productos de calidad automovilística. Las principales certificaciones son AEC-Q100, IPC-6011 e IATF 16949. Estas normas elevan la barrera de entrada y crean un foso técnico para los proveedores de PCB cualificados.
El mercado mundial de PCB para automoción sigue creciendo. La adopción de vehículos de nueva energía es un motor clave. Como líder mundial en vehículos eléctricos, Tesla utiliza una gran cantidad de PCB por coche. En la serie Tesla Model, las piezas del inversor y el BMS utilizan muchas placas de circuito impreso. Esto aumenta el valor de la PCB por coche.
Las tendencias de electrificación e inteligencia seguirán impulsando el mercado. La región Asia-Pacífico y China seguirán experimentando un fuerte crecimiento. Los fabricantes nacionales de China aún tienen margen para crecer en el mercado mundial.
2. Tipos de PCB para automoción
Las placas de circuito impreso para automoción incluyen placas de circuito impreso multicapa, placas de circuito impreso flexibles (FPC), placas HDI (interconexión de alta densidad), placas de circuito impreso de alta frecuencia y otros tipos. Cada tipo tiene materiales y usos diferentes. Cada uno desempeña una función en diferentes escenarios.
3. Datos y tendencias del mercado
Cifras y tendencias del mercado (resumen a partir de datos del sector):
Según las previsiones, el mercado mundial de PCB para automoción alcanzará los 1.840 millones de dólares en 2022. Se espera que alcance los 13.390 millones de dólares en 2030. La tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) es de 5,6%.
En la región Asia-Pacífico, el mercado fue de $4,42 mil millones USD en 2021. Aumentó a 1.434.830 millones de USD en 2022.
El crecimiento de los vehículos de nueva energía es el principal factor que impulsa la demanda de PCB. En 2019, los valores de PCB por vehículo fueron aproximadamente: coches de gama baja $30-40, coches de gama media $50-70, coches de gama alta $100-150. Con la electrificación y otras tendencias, el valor de PCB por vehículo debería aumentar considerablemente. Según una previsión, el mercado mundial de PCB para automoción alcanzará los 1.480 millones de dólares en 2028. La CAGR de 2020 a 2028 fue de aproximadamente 5,3%.
Otra previsión estimaba que el tamaño del mercado mundial de PCB para vehículos de nueva energía alcanzaría los 30.095 millones de RMB en 2025. Su CAGR es mucho mayor que la de los vehículos de combustible tradicionales. En cambio, se prevé que el mercado de PCB para vehículos de combustible tradicionales se reduzca a unos 32.925 millones de RMB en 2025.
La demanda de PCB para automoción se concentra en las placas multicapa y las áreas de gama alta HDI. La competencia del mercado es mayor en la gama media y baja.
Los datos de Jycircuitboard sobre la cuota del tipo de PCB en el mercado de la automoción muestran:
Circuitos impresos de 1-2 capas: 26.93%
Placas de circuito impreso de 4 capas: 25.70%
Placas de circuito impreso de 6 capas: 17,37%
Placas de circuito impreso de 8-16 capas: 3.49%
Placas HDI: 9.56%
FPC (placas de circuito impreso flexibles): 14,57%
Sustratos IC: 2.38%
Estas cifras demuestran que las placas multicapa son la principal necesidad en electrónica para vehículos. HDI y FPC desempeñan un papel importante en las aplicaciones de gama alta.
Resumen final
Las placas de circuito impreso para automóviles se enfrentan a estrictas necesidades técnicas. Hay que elegir los materiales adecuados. Hay que seguir normas de diseño estrictas. Debe utilizar pasos de fabricación controlados y pruebas estrictas. Debe centrarse en el enrutamiento de la alimentación y la toma de tierra, así como en el enrutamiento adecuado de las señales. Los FPC son cada vez más comunes en los sistemas de baterías. El mercado crece con la electrificación y la inteligencia de los vehículos. Las placas de alta fiabilidad, multicapa, HDI y FPC tendrán una fuerte demanda. Los fabricantes tienen que cumplir las normas y los ciclos de pruebas. Hacerlo permitirá a los proveedores participar en el creciente mercado de la automoción.