۱. تعریف و طبقهبندی الکترونیک خودرو
بردهای مدار چاپی خودرویی به بردهای مدار چاپی ساختهشده برای استفاده در الکترونیک خودرو اطلاق میشوند. الکترونیک خودرو به دو گروه اصلی تقسیم میشود. یک گروه سیستمهای کنترل الکترونیک بدنه است. گروه دیگر سیستمهای کنترل الکترونیک داخل خودرو است. سیستمهای کنترل بدنه را میتوان به تفصیلتر تقسیم کرد. این سیستمها شامل سیستمهای کنترل موتور، سیستمهای کنترل بدنه برای درها و چراغها و سیستمهای کنترل شاسی میشوند. سیستمهای کنترل بدنه قطعات مکانیکی خودرو را به قطعات الکترونیکی متصل میکنند. آنها به قطعات الکترونیکی اجازه میدهند تا قطعات مکانیکی بهتر کار کنند. این سیستمها به حرکت نرمتر و ایمنتر خودرو کمک میکنند.
سیستمهای الکترونیکی داخل خودرو شامل سیستم چندرسانهای خودرو، سیستم ناوبری، ضبطکنندهٔ رانندگی، رادار پارک معکوس و سایر سیستمها هستند. این سیستمها استفاده از خودرو را آسانتر کرده و امکانات سرگرمی را اضافه میکنند. آنها نحوهٔ استفادهٔ رانندگان و سرنشینان از خودرو را تغییر میدهند و تجربهٔ کلی کاربر را بهبود میبخشند.
۲. تقاضای فزاینده ناشی از هوش خودرویی
با هوشمندتر شدن خودروها، استفاده از بردهای مدار چاپی خودرویی افزایش مییابد. سیگنالها با سرعت و فرکانس بالاتری منتقل میشوند. بنابراین بردهای مدار چاپی باید همزمان کارآمد و بسیار قابلاعتماد باشند.
۳. مزایای اصلی بردهای مدار چاپی خودرویی
بردهای مدار چاپی (PCB) به دلیل مزایای فراوان، هر روز بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. آنها امکان قرارگیری قطعات با چیدمان فشرده را فراهم میکنند. بنابراین، با افزایش یکپارچگی مدارهای مجتمع و پیشرفت فناوری نصب، این بردها نیز تکامل یافتهاند. آنها همچنین بسیار قابل اعتماد هستند. آزمایشهای متعدد بازرسی، تست و پیریزدایی به کارکرد آنها برای مدت طولانی بدون نقص کمک میکنند. مهمترین نکته این است که PCBها قابلیت مونتاژ دارند. PCBها نصب قطعات استاندارد را آسان میکنند و برای تولید خودکار و انبوه مناسب هستند. میتوان PCBها را با قطعات دیگر مونتاژ کرد تا ماژولها، سیستمها و دستگاههای بزرگتری ساخته شوند.
۴. تقاضای بالاتر برای PCB در خودروهای انرژی نو
در مقایسه با خودروهای سنتی، خودروهای انرژی نو از پنلهای الکترونیکی بیشتری استفاده میکنند. از یک سو، سیستمهای الکترونیکی در خودروهای انرژی نو به کنترل الکترونیکی بیشتری نسبت به سیستمهای سنتی احتراق داخلی نیاز دارند. از سوی دیگر، هستهی خودروهای انرژی نو را باتری، موتور و کنترل الکترونیکی تشکیل میدهند. این قطعات محتوای الکترونیکی را بسیار بیشتر از خودروهای متعارف افزایش میدهند. این دو عامل تعداد بردهای مدار چاپی (PCB) مورد نیاز یک خودرو را افزایش میدهند و همچنین انواع PCB را از بردهای کمهزینه به بردهای با ارزش بالاتر سوق میدهند. ارزش هر خودرو از نظر PCBهای خودرویی همچنان در حال افزایش است.
الزامات فرآیند برای بردهای مدار چاپی خودرویی
۱. انتخاب مواد
برای هر برد مدار چاپی، کیفیت مواد بهشدت بر کیفیت کل محصول تأثیر میگذارد. هنگام ساخت برد مدار چاپی خودرو باید در نظر داشته باشید که محیط خودرو چگونه بر مواد تأثیر میگذارد. بنابراین برای بردهای مدار چاپی خودرو از مواد باکیفیت بالا استفاده کنید. موادی را انتخاب کنید که بتوانند دماهای بالا و پایین، فشار زیاد و سایر شرایط سخت را تحمل کنند.
بسترهای با Tg بالا: از رزینهای اپوکسی با Tg ≥ 170°C استفاده کنید. (FR-4 معمولی دارای Tg حدود 130°C است.) در دمای 150°C، مقاومت خمشی به تنها حدود یکششم مقدار آن در بسترهای معمولی کاهش مییابد.
پلیمید (PI): از زیرلایههای PI با دمای انتقال شیشهای تا ۲۶۰ درجه سانتیگراد در نزدیکی توربوشارژرها استفاده کنید. PI میتواند محیطهای شدید کوتاهمدت تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد را تحمل کند.
مواد را برای استحکام و پایداری بلندمدت انتخاب کنید. موادی را انتخاب کنید که در برابر حرارت، رطوبت و تنشهای شیمیایی مقاوم باشند. این انتخابها به PCB کمک میکنند تا خواص الکتریکی و مکانیکی خود را در خودرو پایدار نگه دارد.
۲. قوانین طراحی
ساخت بردهای مدار چاپی خودرویی فرآیندی پیچیده است. برای ساخت یک برد مدار چاپی خودرویی مناسب، باید از قوانین طراحی متعدد و استانداردهای تولید پیروی کرد. طراحان بردهای مدار چاپی باید این قوانین را بشناسند. طراحان باید استانداردها را بهدقت رعایت کنند.
جدول چالشهای رایج فرآیند، راهحلها و نتایج:
| چالشهای رایج | راهحلها | نتایج |
|---|---|---|
| شکست ارتعاشی | سوراخهای عبوری با دیواره ضخیم آبکاریشده (لایه مس ≥ ۲۵ میکرومتر) و گوشههای گرد. | پس از یک میلیون چرخه ارتعاش جدا نشدن (ده برابر سطح مصرفی). |
| گلوگاه حرارتی | بلوکهای مسی جاسازیشده و آرایههای میکروسوراخ (قطر سوراخ ≤ ۰٫۲ میلیمتر). | افت مقاومت حرارتی موضعی به میزان ۳۵۱TP3T. دمای اتصال IGBT کمتر از ۱۲۵ درجه سانتیگراد. |
| خطر لحیمکاری | از سیمجوش بدون سرب SAC305 (نقطه ذوب ۲۱۷ درجه سانتیگراد) و پدهای آبکاریشده با طلا استفاده کنید. | مقاومت اتصال لحیمشده در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد بیش از ۹۵۱TP3T حفظ میشود. |
طراحی باید شامل چیدمان، فاصلهگذاری، اندازههای پد، ویاز و تخفیف حرارتی نیز باشد. از گوشههای گرد برای مسیرها و قرارگیری مناسب ویاز استفاده کنید. به سوراخهای نصب مکانیکی و لبههای برد توجه کنید. در محل اتصال برد به شاسی، تقویت لازم را اضافه کنید. مطمئن شوید برد، الزامات لرزش و ضربه خودرو را برآورده میکند.
۳. جریان فرآیند
در طول تولید برد مدار چاپی خودرویی، از مجموعهای از مراحل فرآیندی استاندارد پیروی کنید. این امر چرخه تولید را روان نگه میدارد. جزئیات هر مرحله را زیر نظر داشته باشید. در مراحل کلیدی نقاط کنترل کیفیت اضافه کنید تا مطمئن شوید محصول نهایی با نیازمندیها مطابقت دارد. در نقاط مشخص، بازرسی چشمی، اندازهگیری ابعاد، آزمونهای الکتریکی و آزمونهای محیطی را انجام دهید. از بازرسی نوری خودکار (AOI)، اشعه ایکس و تستهای پروب پروازی برای شناسایی زودهنگام نقصها استفاده کنید.
۴. جهتهای توسعه فنی
علاوه بر نیازهای فرآیندی فوق، روندهای نوظهور فناوری PCB را زیر نظر داشته باشید. خودروهای الکتریکی، کمکراننده پیشرفته و خودروهای خودران فناوریهای PCB را به جلو سوق میدهند. مسیرهای اصلی آینده عبارتند از:
طراحی برد چندلایه: با افزایش نیاز به کیفیت سیگنال، طراحیهای چندلایه رایجتر میشوند. لایههای بیشتر به مسیریابی سیگنال و زمینگیری کمک کرده و کنترل امپدانس را تسهیل میکنند.
انتقال سیگنال با سرعت بالا: خودروها به تبادل اطلاعات سریعتر نیاز دارند. طراحی سیگنال با سرعت بالا یک فناوری اصلی است. امپدانس را کنترل کنید، از دیالکتریک کنترلشده استفاده کنید و صفحات زمین را بهدرستی قرار دهید.
ریزسازی و طراحی سبکوزن: بدنه خودروها به دنبال قطعات کوچکتر و سبکتر هستند. بردهای مدار چاپی باید نیازهای جدید هزینه و پایداری را برآورده کنند. بردهای نازکتر و طراحیهای فشرده به صرفهجویی در فضا و وزن کمک میکنند.
بهطور کلی، بردهای مدار چاپی خودرویی نیازمند استانداردهای فنی و فرآیندی بالایی هستند. برای برآورده کردن این نیازها باید جنبههای متعددی را در نظر بگیرید. تنها در این صورت میتوانید عملکرد و کیفیت بردهای مدار چاپی را تضمین کنید. با پیشرفت فناوری، صنعت خودروسازی هرچه هوشمندتر خواهد شد. صنعت بردهای مدار چاپی نیز به نوآوری و بهبود خود ادامه خواهد داد.
مسیریابی تغذیه و زمین برای بردهای مدار چاپی الکترونیکی خودرویی
در سیستمهای صوتی و تصویری خودرو مانند پخشکنندههای CD و VCD، از دستگاههای دیجیتال CMOS و دستگاههای آنالوگ سیگنالمخلوط استفاده میشود. وقتی این دستگاهها همزمان کار میکنند، باعث تغییرات سطح تغذیه و زمین روی برد مدار چاپی (PCB) میشوند. این تغییرات منجر به پیکهای سیگنال، فرارفتگی یا نوسان خفهشده میشود.
طرحبندی مناسب مسیریابی برق با هدف کاهش افت ولتاژ و نویز تبدیل الکترومغناطیسی فرکانس بالا ناشی از خطوط و امپدانس انجام میشود. مسیرهای تغذیه را با بخش میانی باریک و انتهای ضخیم طراحی نکنید؛ این الگو میتواند باعث افت ولتاژ زیاد شود. به جای پیچشهای تند، از خمهای با شعاع بزرگ استفاده کنید. شکل قوس گرد بهتر است. در مواردی که مجاز است، ویاسها را بزرگتر در نظر بگیرید. در صورت امکان، خازنهای فیلتر را نزدیک ویاسها قرار دهید.
اتصال به زمین به سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به دو روش اصلی کمک میکند. اول اینکه زمین مساحت حلقه سیگنال را کاهش میدهد. این امر تابش را کم کرده و مقاومت در برابر تداخل را بهبود میبخشد. دوم اینکه زمین تداخل متقابل بین ردپاها یا مدارها را کاهش میدهد. زمین مسیر بازگشت مناسبی برای انرژی الکترومغناطیسی به منبع فراهم میکند. این کار مانع از رسیدن انرژی به هادیهای محافظتشده میشود.
امپدانس مشخصهٔ ردهای PCB مستقیماً بر مصونیت برد در برابر تداخل تأثیر میگذارد. مقاومت کمتر، امپدانس مشترک را کاهش داده و در نتیجه تداخل خط زمین را کم میکند.
برد را به نواحی عملکردی تقسیم کنید. خطوط زمین هر ناحیه را بهصورت موازی به هم متصل کرده و سپس آنها را به یک نقطه واحد وصل کنید. اگر برد دارای چندین واحد مدار باشد، برای هر واحد یک حلقه بازگشت زمین مستقل در نظر بگیرید. سپس هر واحد را به یک نقطه زمین مشترک وصل کنید. این کار مانع از جریان یافتن جریان زمین یک واحد به واحدهای دیگر میشود و از تداخل متقابل جلوگیری میکند.
ردیابیهای تغذیه و زمین را تا حد امکان پهن در نظر بگیرید. برای دستگاههایی با فاصلهی ۰٫۵ میلیمتر، عرض ردیابی را کمتر از ۰٫۳ میلیمتر (۱۲ میل) در نظر نگیرید. در بردهای سیگنال ترکیبی، زمین دیجیتال را از زمین آنالوگ جدا کنید. در غیر این صورت، تابش الکترومغناطیسی و تداخل سیگنال میتواند بهطور چشمگیری افزایش یابد که منجر به مشکلات EMC میشود. بنابراین مدارهای دیجیتال و آنالوگ را در نواحی مجزا برای چیدمان و مسیریابی قرار دهید.
مسیریابی سیگنال در بردهای مدار چاپی خودرویی
In cars, wire bundles are common. Different voltage levels, current sizes, and directions are bundled together. Poor placement of sensitive components, or low quality components, can create electromagnetic interference (EMI). Bad signal routing can cause noise. When you layout signals, pay attention to these rules:
Avoid sudden impedance changes on signal traces.
Reduce signal loop sizes to cut radiation.
Make sure traces on adjacent signal layers are orthogonal to each other.
Place high-speed digital and low-level analog signal traces next to ground planes. Put low-speed and high-level analog traces on layers farther away.
Avoid parallel routing of input and output lines. That reduces feedback coupling.
Use differential pair routing for high-speed signals. That lowers electromagnetic radiation.
Application of FPC in New Energy Vehicles
1. Limitations of Traditional Copper Wire Harnesses
Collector lines are essential parts of the BMS (battery management system) in new energy vehicles. They monitor cell voltage and temperature of power battery cells. They connect data collection and transmission and often have overcurrent protection. They protect battery cells and disconnect automatically on short circuits.
Before, battery collector wiring used traditional copper wire harnesses. Each harness used copper insulated by plastic. When many current signals exist, many harnesses were needed. That takes up space. In the pack assembly step, workers fixed harness ends manually to the battery pack. That gives low automation.
2. Advantages and Details of FPCs
Compared with copper harnesses, FPCs (flexible printed circuit boards) have advantages. They are highly integrated, very thin, and highly flexible. These traits help in safety, light weight, and neat layout. Also, FPCs are thin and can be custom fit to the battery pack. During assembly, robot arms can pick and place them directly on the battery pack. That makes automation easier and supports mass production. FPCs clearly tend to replace copper harnesses.
Advantages and details:
Safety performance: FPCs use metal foil to connect to busbars. They can include fuse protection design. This ensures high-speed signal paths. If a short happens, the FPC fuse melts and cuts the line. This prevents fire or explosion in other parts of the battery pack.
Lightweight: Compared to wire harnesses and some PCBs used for signal collection, FPCs take less space and weigh less.
Process flexibility: FPCs remove many manual connector steps. They allow ultrasonic welding, soldering, and other processes. In thickness, the circuit area can be 0.34 mm and the NTC area 2 mm. They can bend 90° or 180°. These features give strong design freedom.
Automated production: FPCs have regular shapes and high integration. They reduce manual wire routing. They suit mechanical, large-scale production. This greatly cuts assembly time and labor. They support automation for battery pack assembly.
Automotive PCB Market
1. Market Drivers and Key Certifications
In recent years, the rise of new energy vehicles has driven PCB industry growth. PCBs are the structural base for electronic parts. They play key roles in power control, safety control, body electronics, and infotainment systems.
New energy vehicles need more electronic control than traditional fuel cars. Trends like electrification, intelligence, and network connection increase demand for high-end automotive PCBs. This demand has strict reliability requirements. Often the PCBs must pass long tests. Tests can last one to three years before a part gains supplier approval.
The automotive electronics industry has strict standards for car-grade products. Key certifications include AEC-Q100, IPC-6011, and IATF 16949. These standards raise the barrier to entry and create a technical moat for qualified PCB suppliers.
Global automotive PCB market continues to grow. New energy vehicle adoption is a key driver. As a global leader in electric vehicles, Tesla uses a large amount of PCBs per car. In Tesla Model series, inverter parts and BMS use many PCBs. That increases the PCB value per car.
Electrification and intelligence trends will keep pushing the market. The Asia-Pacific region and China will continue to see strong growth. Domestic manufacturers in China still have room to grow in the global market.
2. Types of Automotive PCBs
Automotive PCBs include multilayer PCBs, flexible PCBs (FPC), HDI boards (high-density interconnect), high-frequency PCBs, and other types. Each type has different materials and uses. Each fills a role in different scenarios.
3. Market Data and Trends
Market numbers and trends (summary from industry data):
A forecast showed the global automotive PCB market was $8.84 billion USD in 2022. It is expected to reach $13.39 billion USD by 2030. The compound annual growth rate (CAGR) is 5.6%.
In the Asia-Pacific region, the market was $4.42 billion USD in 2021. It rose to $4.83 billion USD in 2022.
New energy vehicle growth is the main factor driving PCB demand. In 2019, single-vehicle PCB values were roughly: low-end cars $30–40, mid-range cars $50–70, high-end cars $100–150. With electrification and other trends, per-vehicle PCB value should rise sharply. A forecast predicted the global automotive PCB market would reach $12.48 billion USD by 2028. The CAGR from 2020 to 2028 was about 5.3%.
Another forecast estimated the global new energy vehicle PCB market size would reach RMB 30.095 billion by 2025. Its CAGR is much higher than for traditional fuel vehicles. By contrast, the traditional fuel vehicle PCB market was expected to fall to about RMB 32.925 billion by 2025.
Automotive PCB demand is concentrated in multilayer boards and HDI high-end areas. Market competition is larger in the mid and low end.
Data from Jycircuitboard on PCB type share in the automotive market shows:
1–2 layer PCBs: 26.93%
4-layer PCBs: 25.70%
6-layer PCBs: 17.37%
8–16 layer PCBs: 3.49%
HDI boards: 9.56%
FPCs (flexible PCBs): 14.57%
IC substrates: 2.38%
These numbers show multilayer boards are the main need in vehicle electronics. HDI and FPC have important roles in high-end applications.
Closing Summary
Automotive PCBs face strict technical needs. You must choose the right materials. You must follow tight design rules. You must use controlled manufacturing steps and strict testing. You must focus on power and ground routing and on proper signal routing. FPCs are becoming more common in battery systems. The market grows with vehicle electrification and intelligence. High-reliability, multilayer, HDI, and FPC boards will be in strong demand. Manufacturers need to meet standards and test cycles. Doing so will let suppliers take part in the growing automotive market.