برد مدار چاپی خودرویی

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

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.

در خودروها، دسته‌های سیم رایج هستند. سطوح ولتاژ، اندازه‌های جریان و جهت‌های مختلف با هم در یک دسته قرار می‌گیرند. قرارگیری نامناسب قطعات حساس یا استفاده از قطعات کم‌کیفیت می‌تواند باعث تداخل الکترومغناطیسی (EMI) شود. مسیریابی نادرست سیگنال‌ها می‌تواند موجب نویز شود. هنگام چیدمان سیگنال‌ها، به این قوانین توجه کنید:

از تغییرات ناگهانی امپدانس در ردیابی سیگنال‌ها خودداری کنید.

برای کاهش تابش، اندازه حلقه‌های سیگنال را کاهش دهید.

مطمئن شوید که مسیرها در لایه‌های سیگنال مجاور نسبت به یکدیگر عمود هستند.

رده‌های سیگنال دیجیتال با سرعت بالا و سیگنال آنالوگ با سطح پایین را در کنار صفحات زمین قرار دهید. رده‌های سیگنال آنالوگ با سرعت پایین و سطح بالا را روی لایه‌های دورتر قرار دهید.

از مسیریابی موازی خطوط ورودی و خروجی خودداری کنید. این کار کوپلینگ بازخورد را کاهش می‌دهد.

برای سیگنال‌های با سرعت بالا از مسیریابی جفت دیفرانسیل استفاده کنید. این کار تابش الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد.

خطوط جمع‌آوری اجزای ضروری سامانه مدیریت باتری (BMS) در خودروهای انرژی نو هستند. آن‌ها ولتاژ و دمای سلول‌های باتری نیرو را پایش می‌کنند. آن‌ها جمع‌آوری و انتقال داده‌ها را متصل می‌کنند و اغلب دارای حفاظت در برابر جریان بیش از حد هستند. آن‌ها از سلول‌های باتری محافظت کرده و در صورت اتصال کوتاه به‌طور خودکار قطع می‌شوند.

قبلاً سیم‌کشی مجموعه باتری از دسته‌سیم‌های مسی سنتی استفاده می‌کرد. هر دسته سیم از مسی عایق‌شده با پلاستیک تشکیل شده بود. وقتی سیگنال‌های جریان متعددی وجود داشت، به دسته‌سیم‌های زیادی نیاز بود. این امر فضا را اشغال می‌کند. در مرحله مونتاژ بسته باتری، کارگران انتهای دسته‌سیم‌ها را به‌صورت دستی به بسته باتری متصل می‌کردند. این امر اتوماسیون پایینی را به همراه دارد.

در مقایسه با کابل‌های مسی، بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر (FPC) مزایایی دارند. آن‌ها بسیار یکپارچه، بسیار نازک و بسیار انعطاف‌پذیر هستند. این ویژگی‌ها به ایمنی، وزن کم و چیدمان مرتب کمک می‌کنند. همچنین، FPCها نازک هستند و می‌توان آن‌ها را متناسب با بسته باتری سفارشی کرد. در حین مونتاژ، بازوهای ربات می‌توانند آن‌ها را مستقیماً روی بسته باتری بردارند و قرار دهند. این امر اتوماسیون را آسان‌تر می‌کند و از تولید انبوه پشتیبانی می‌کند. FPCها آشکارا در حال جایگزینی کابل‌های مسی هستند.

مزایا و جزئیات:

عملکرد ایمنی: FPCها برای اتصال به شینه‌ها از ورق فلزی استفاده می‌کنند. آن‌ها می‌توانند دارای طراحی محافظ فیوز باشند. این امر مسیرهای سیگنال با سرعت بالا را تضمین می‌کند. اگر اتصال کوتاه رخ دهد، فیوز FPC ذوب شده و خط را قطع می‌کند. این از بروز آتش‌سوزی یا انفجار در سایر بخش‌های بسته باتری جلوگیری می‌کند.

سبک‌وزن: در مقایسه با کابل‌های سیم‌کشی و برخی بردهای مدار چاپی که برای جمع‌آوری سیگنال استفاده می‌شوند، FPCها فضای کمتری اشغال کرده و وزن کمتری دارند.

انعطاف‌پذیری فرآیند: FPCها بسیاری از مراحل دستی اتصال را حذف می‌کنند. آن‌ها امکان جوشکاری فراصوتی، لحیم‌کاری و سایر فرآیندها را فراهم می‌کنند. از نظر ضخامت، ناحیه مدار می‌تواند ۰٫۳۴ میلی‌متر و ناحیه NTC ۲ میلی‌متر باشد. آن‌ها می‌توانند تا ۹۰° یا ۱۸۰° خم شوند. این ویژگی‌ها آزادی طراحی زیادی را فراهم می‌کنند.

تولید خودکار: FPCها دارای اشکال منظم و یکپارچگی بالا هستند. آن‌ها مسیر‌یابی سیم‌های دستی را کاهش می‌دهند. برای تولید مکانیکی و در مقیاس بزرگ مناسب‌اند. این امر زمان و نیروی کار مونتاژ را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. آن‌ها از اتوماسیون مونتاژ بسته باتری پشتیبانی می‌کنند.

در سال‌های اخیر، ظهور خودروهای انرژی نو رشد صنعت PCB را تسریع کرده است. PCBها پایهٔ ساختاری قطعات الکترونیکی هستند. آنها در کنترل توان، کنترل ایمنی، الکترونیک بدنه و سیستم‌های سرگرمی و اطلاعات نقش کلیدی دارند.

وسایل نقلیه انرژی نو به کنترل الکترونیکی بیشتری نسبت به خودروهای سوختی سنتی نیاز دارند. روندهایی مانند برقی‌سازی، هوشمندی و اتصال به شبکه تقاضا برای بردهای مدار چاپی (PCB) خودرویی رده‌بالا را افزایش می‌دهند. این تقاضا نیازمندی‌های سختگیرانه‌ای در زمینه قابلیت اطمینان دارد. اغلب PCBها باید آزمون‌های طولانی را پشت سر بگذارند. این آزمون‌ها ممکن است یک تا سه سال به طول انجامند تا یک قطعه تأیید تأمین‌کننده را دریافت کند.

صنعت الکترونیک خودرویی استانداردهای سخت‌گیرانه‌ای برای محصولات درجه‌بندی خودرو دارد. گواهینامه‌های کلیدی شامل AEC-Q100، IPC-6011 و IATF 16949 هستند. این استانداردها مانع ورود را افزایش داده و برای تأمین‌کنندگان PCB واجد شرایط، یک حصار فنی ایجاد می‌کنند.

بازار جهانی PCB خودرو همچنان در حال رشد است. پذیرش خودروهای انرژی نو یک عامل کلیدی است. به‌عنوان پیشرو جهانی در خودروهای الکتریکی، تسلا در هر خودرو از مقدار زیادی PCB استفاده می‌کند. در سری مدل‌های تسلا، قطعات اینورتر و سیستم مدیریت باتری (BMS) از PCBهای زیادی بهره می‌برند. این امر ارزش PCB را در هر خودرو افزایش می‌دهد.

روندهای برقی‌سازی و هوشمندسازی همچنان بازار را به پیش خواهند راند. منطقه آسیا-اقیانوسیه و چین به رشد قوی خود ادامه خواهند داد. تولیدکنندگان داخلی در چین هنوز فضای رشد در بازار جهانی را دارند.

بردهای مدار چاپی خودرویی شامل بردهای چندلایه، بردهای انعطاف‌پذیر (FPC)، بردهای HDI (ارتباطات با چگالی بالا)، بردهای فرکانس بالا و انواع دیگر هستند. هر نوع دارای مواد و کاربردهای متفاوتی است و هر یک در سناریوهای مختلف نقشی ایفا می‌کند.

اعداد و روندهای بازار (خلاصه از داده‌های صنعت):

یک پیش‌بینی نشان داد که بازار جهانی PCB خودرویی در سال ۲۰۲۲ معادل ۸٫۸۴ میلیارد دلار بوده است. انتظار می‌رود تا سال ۲۰۳۰ به ۱۳٫۳۹ میلیارد دلار برسد. نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) برابر با ۵٫۶۱ درصد است.

در منطقه آسیا-اقیانوسیه، ارزش بازار در سال ۲۰۲۱، ۴.۴۲ تریلیون دلار بود. این رقم در سال ۲۰۲۲ به ۴.۸۳ تریلیون دلار افزایش یافت.

رشد خودروهای انرژی نوین عامل اصلی محرک تقاضا برای PCB است. در سال ۲۰۱۹، ارزش PCB به ازای هر خودرو تقریباً به شرح زیر بود: خودروهای رده پایین ۳۰–۴۰، خودروهای رده متوسط ۵۰–۷۰، خودروهای رده بالا ۱۰۰–۱۵۰. با برقی‌سازی و سایر روندها، ارزش PCB به ازای هر خودرو باید به شدت افزایش یابد. یک پیش‌بینی پیش‌بینی کرد که بازار جهانی PCB خودرو تا سال 2028 به $12.48 میلیارد دلار خواهد رسید. نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) از سال 2020 تا 2028 حدود 5.3% بود.

پیش‌بینی دیگری تخمین زد که تا سال ۲۰۲۵ اندازه بازار جهانی PCB خودروهای انرژی نو به ۳٫۰۹۵ میلیارد یوان خواهد رسید. نرخ رشد مرکب سالانه آن بسیار بالاتر از نرخ رشد PCB خودروهای سوختی سنتی است. در مقابل، انتظار می‌رفت بازار PCB خودروهای سوختی سنتی تا سال ۲۰۲۵ به حدود ۳۲٫۹۲۵ میلیارد یوان کاهش یابد.

تقاضا برای PCB خودرویی در بردهای چندلایه و حوزه‌های رده‌بالای HDI متمرکز است. رقابت در بازار در بخش‌های میان‌رده و پایین‌رده بیشتر است.

داده‌ها از Jycircuitboard درباره سهم نوع PCB در بازار خودرو نشان می‌دهد:

بردهای PCB تک‌لایه و دو‌لایه: 26.93%

بردهای مدار چاپی چهارلایه: 25.70%

بردهای مدار چاپی ۶ لایه: 17.37%

PCBهای ۸ تا ۱۶ لایه: ۳٫۴۹۱TP3T

بردهای HDI: 9.56%

FPCها (بردهای مدار چاپی انعطاف‌پذیر): 14.57%

سوبستراهای آی‌سی: ۲٫۳۸۱TP3T

این اعداد نشان می‌دهند که بردهای چندلایه نیاز اصلی در الکترونیک خودرو هستند. HDI و FPC نقش‌های مهمی در کاربردهای رده‌بالا دارند.

بردهای مدار چاپی خودرویی (PCB) با نیازهای فنی سخت‌گیرانه‌ای مواجه هستند. شما باید مواد مناسب را انتخاب کنید. باید از قوانین طراحی سخت‌گیرانه پیروی کنید. باید از مراحل ساخت کنترل‌شده و تست‌های دقیق استفاده کنید. باید بر مسیریابی تغذیه و زمین و همچنین مسیریابی صحیح سیگنال تمرکز کنید. بردهای مدار انعطاف‌پذیر (FPC) در سیستم‌های باتری رایج‌تر می‌شوند. بازار با برقی و هوشمند شدن خودروها رشد می‌کند. بردهای چندلایه با قابلیت اطمینان بالا، HDI و FPC با تقاضای زیادی مواجه خواهند شد. تولیدکنندگان باید استانداردها و چرخه‌های آزمایشی را برآورده کنند. این کار به تأمین‌کنندگان اجازه می‌دهد تا در بازار رو به رشد خودرو شرکت کنند.