1. Autoelektroniikan määritelmä ja luokittelu
Autoteollisuuden piirilevyillä tarkoitetaan ajoneuvoelektroniikassa käytettäväksi tarkoitettuja piirilevyjä. Autoelektroniikka jakautuu kahteen pääryhmään. Toinen ryhmä on korielektroniikan ohjausjärjestelmät. Toinen ryhmä on ajoneuvon sisäiset elektroniikan ohjausjärjestelmät. Korin ohjausjärjestelmät voidaan jakaa edelleen. Niihin kuuluvat moottorin ohjausjärjestelmät, ovien ja valojen korin ohjausjärjestelmät sekä alustan ohjausjärjestelmät. Korin ohjausjärjestelmät yhdistävät auton mekaaniset osat elektronisiin osiin. Niiden avulla elektroniikka saa mekaaniset osat toimimaan paremmin. Ne auttavat autoa toimimaan tasaisemmin ja turvallisemmin.
Ajoneuvon elektroniikkajärjestelmiin kuuluvat auton multimediajärjestelmä, navigointijärjestelmä, ajotallennin, peruutustutka ja muut järjestelmät. Nämä järjestelmät helpottavat auton käyttöä ja lisäävät viihdeominaisuuksia. Ne muuttavat kuljettajien ja matkustajien tapaa käyttää ajoneuvoa. Ne parantavat yleistä käyttökokemusta.
2. Autojen älykkyysosaston kasvava kysyntä
Kun autot muuttuvat älykkäämmiksi, autojen piirilevyjen käyttö lisääntyy. Signaalit kulkevat nopeammin ja suuremmalla taajuudella. Piirilevyjen on siis oltava samanaikaisesti tehokkaita ja erittäin luotettavia.
3. Autoteollisuuden piirilevyjen keskeiset edut
PCB:tä käytetään yhä enemmän, koska niillä on monia vahvoja etuja. Ne mahdollistavat suuren osien tiheyden. Niinpä ne kehittyvät integroitujen piirien korkeamman integraation ja paremman asennustekniikan myötä. Ne ovat myös erittäin luotettavia. Monet tarkastukset, testaukset ja ikääntymistestit auttavat saamaan ne toimimaan pitkään ilman vikoja. Tärkeintä on, että piirilevyjä voidaan koota. Piirilevyjen avulla on helppo asentaa vakio-osia. Ne sopivat automatisoituun ja massatuotantoon. Piirilevyjä voidaan koota muiden osien kanssa suurempien moduulien, järjestelmien ja kokonaisten koneiden valmistamiseksi.
4. Suurempi piirilevyjen kysyntä uusissa energiankuljetusajoneuvoissa
Perinteisiin autoihin verrattuna uusissa energia-autoissa käytetään enemmän elektronisia paneeleita. Toisaalta uusien energia-autojen elektroniset järjestelmät tarvitsevat enemmän elektronista ohjausta kuin perinteiset polttomoottorikäyttöiset autot. Toisaalta uusien energia-autojen ydin on akku, moottori ja elektroninen ohjaus. Nämä osat nostavat elektroniikan osuutta paljon korkeammaksi kuin perinteisissä autoissa. Nämä kaksi tekijää lisäävät auton tarvitsemien piirilevyjen määrää. Ne myös siirtävät piirilevytyyppejä halvoista levyistä arvokkaampiin levyihin. Autojen piirilevyjen arvo ajoneuvoa kohti kasvaa jatkuvasti.
Automotive PCB:n prosessivaatimukset
1. Materiaalin valinta
Minkä tahansa piirilevyn osalta materiaalin laatu vaikuttaa voimakkaasti koko tuotteen laatuun. Kun teet autojen piirilevyä, sinun on mietittävä, miten auton ympäristö vaikuttaa materiaaleihin. Valitse siis korkealaatuiset materiaalit autojen PCB:tä varten. Valitse materiaaleja, jotka kestävät korkeita ja matalia lämpötiloja, korkeaa painetta ja muita kovia olosuhteita.
Korkean Tg-pitoisuuden omaavat substraatit: Tg ≥ 170°C. (Normaalin FR-4:n Tg on noin 130 °C.) 150 °C:ssa taivutuslujuus laskee vain noin kuudesosaan siitä, mitä se on tavallisilla alustoilla.
Polyimidi (PI): Käytä PI-alustoja, joiden Tg on jopa 260 °C, turboahtimien läheisyydessä. PI kestää lyhytaikaisia ääriolosuhteita jopa 200 °C:n lämpötilassa.
Valitse materiaalit lujuuden ja pitkäaikaisen vakauden perusteella. Valitse materiaalit, jotka kestävät kuumuutta, kosteutta ja kemiallista rasitusta. Nämä valinnat auttavat piirilevyä säilyttämään vakaat sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet autossa.
2. Suunnittelusäännöt
Autoteollisuuden piirilevyjen valmistus on monimutkainen prosessi. Oikean autoteollisuuden piirilevyn valmistamiseksi on noudatettava monia suunnittelusääntöjä ja valmistusstandardeja. PCB-suunnittelijoiden on tunnettava nämä säännöt. Suunnittelijoiden on noudatettava standardeja tarkasti.
Taulukko yleisimmistä prosessihaasteista, ratkaisuista ja tuloksista:
| Yhteiset haasteet | Ratkaisut | Tulokset |
|---|---|---|
| Tärinävika | Paksuseinäiset pinnoitetut läpireiät (kuparikerros ≥ 25 μm) ja pyöristetyt kulmat. | Ei irtoamista miljoonan tärinäsyklin jälkeen (kymmenkertainen kuluttajataso). |
| Lämpö pullonkaula | Upotetut kuparilohkot ja mikroreikärakenteet (reikien halkaisija ≤ 0,2 mm). | Paikallinen lämpöresistanssi laskee 35%. IGBT:n liitoslämpötila < 125 °C. |
| Juotosriski | Käytä lyijytöntä juotosta SAC305 (sulamispiste 217 °C) ja kullattuja tyynyjä. | Juotosliitoksen lujuus säilyy yli 95%:n 150 °C:ssa. |
Suunnittelutyön tulisi kattaa myös asettelu, välykset, tyynyjen koot, läpiviennit ja lämpöhelpotus. Käytä pyöristettyjä jäljityskulmia ja asianmukaista läpivientien sijoittelua. Kiinnitä huomiota mekaanisiin kiinnitysreikiin ja levyn reunoihin. Lisää vahvistusta, kun levy kiinnitetään alustaan. Varmista, että levy täyttää ajoneuvon tärinä- ja iskuvaatimukset.
3. Prosessin kulku
Autoteollisuuden PCB-valmistuksen aikana noudata standardoituja prosessivaiheita. Näin varmistetaan sujuva tuotantosykli. Tarkkaile kunkin vaiheen yksityiskohtia. Lisää laadun tarkastuspisteitä tärkeimpiin vaiheisiin varmistaaksesi, että lopputuote täyttää vaatimukset. Tee visuaalinen tarkastus, mittatarkastukset, sähkötestaukset ja ympäristötestaukset määritellyissä kohdissa. Käytä automaattista optista tarkastusta (AOI), röntgentarkastusta ja lentäviä koettimia vikojen löytämiseksi varhaisessa vaiheessa.
4. Teknisen kehityksen suuntaviivat
Edellä mainittujen prosessitarpeiden lisäksi on seurattava kehittyviä PCB-teknologian suuntauksia. Sähköajoneuvot, kehittynyt kuljettajan tuki ja itseohjautuvat autot vievät PCB-teknologiaa eteenpäin. Tärkeimpiä tulevaisuuden suuntauksia ovat mm:
Monikerroksinen levysuunnittelu: Monikerroksiset piirilevyt yleistyvät signaalin laatuvaatimusten kasvaessa. Useampi kerros auttaa signaalin reitityksessä ja maadoituksessa sekä impedanssin hallinnassa.
Nopea signaalinsiirto: Autot tarvitsevat nopeampaa tiedonvaihtoa. Nopean signaalin suunnittelu on ydinteknologiaa. Ohjaa impedanssia, käytä kontrolloitua dielektristä materiaalia ja sijoita maatasot oikein.
Miniatyrisointi ja kevyt rakenne: Autojen korit vaativat pienempiä ja kevyempiä osia. Piirilevyjen on täytettävä uudet kustannus- ja vakausvaatimukset. Ohuemmat piirilevyt ja kompaktit rakenteet auttavat säästämään tilaa ja painoa.
Kaiken kaikkiaan autoteollisuuden piirilevyt edellyttävät korkeita teknisiä ja prosessistandardeja. Näiden tarpeiden täyttämiseksi on otettava huomioon monia näkökohtia. Vain siten voit taata piirilevyjen suorituskyvyn ja laadun. Teknologian kehittyessä autoteollisuus tulee yhä älykkäämmäksi. Myös piirilevyteollisuus jatkaa innovointia ja parantamista.
Virta ja maadoitusreititys autoteollisuuden elektronisille PCB-piireille
Autojen audio- ja videojärjestelmissä, kuten CD- ja VCD-soittimissa, käytetään monia CMOS-digitaalilaitteita ja analogisia sekasignaalilaitteita. Kun nämä laitteet toimivat samanaikaisesti, ne aiheuttavat piirilevyllä tehon ja maadoitustason muutoksia. Nämä muutokset johtavat signaalipiikkeihin, yliaaltoihin tai vaimennettuun värähtelyyn.
Asianmukaisella tehon reititysasettelulla pyritään vähentämään jännitehäviötä ja johtojen ja impedanssin aiheuttamaa korkeataajuista sähkömagneettista muuntokohinaa. Älä suunnittele tehojohtoja, joiden keskikohdat ovat ohuita ja päät paksuja. Tällainen kuvio voi aiheuttaa suuria jännitehäviöitä. Käytä suuren säteen mutkia terävien käännösten sijaan. Pyöristetty kaaren muoto on parempi. Tee läpivienneistä suurempia, jos se on sallittua. Lisää suodatinkondensaattoreita läpivientien läheisyyteen, jos mahdollista.
Maadoitus auttaa sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) kahdella tavalla. Ensinnäkin maadoitus vähentää signaalisilmukan aluetta. Tämä vähentää säteilyä ja parantaa häiriönsietokykyä. Toiseksi maadoitus vähentää jälkien tai piirien välistä ristikkäishäirintää. Maadoitus antaa sähkömagneettiselle energialle hyvän paluureitin takaisin lähteeseen. Tämä estää energiaa pääsemästä suojattuihin johtimiin.
Piirilevyn jälkien ominaisimpedanssi vaikuttaa suoraan piirilevyn häiriönsietokykyyn. Pienempi vastus vähentää yhteistä impedanssia ja vähentää siten maajohtohäiriöitä.
Jaa taulu toiminnallisiin vyöhykkeisiin. Yhdistä kunkin vyöhykkeen maajohdot rinnakkain ja sido ne sitten yhteen pisteeseen. Jos piirilevyllä on useita virtapiiriyksiköitä, anna jokaiselle yksikölle oma itsenäinen maadoitussilmukka. Liitä sitten kukin yksikkö yhteen yhteiseen maadoituspisteeseen. Näin yhden yksikön maasulkuvirta ei pääse virtaamaan muihin yksiköihin. Näin vältetään keskinäinen ristikkäishäirintä.
Tee virta- ja maajohtimet mahdollisimman leveiksi. Laitteissa, joissa on 0,5 mm:n jako, jäljen leveys on vähintään 0,3 mm (12 mil). Sekasignaalilevyillä digitaalinen ja analoginen maa on erotettava toisistaan. Jos näin ei tehdä, sähkömagneettinen säteily ja signaalien ristikkäisvärähtely voivat lisääntyä voimakkaasti. Tämä aiheuttaa EMC-ongelmia. Sijoita siis digitaaliset ja analogiset piirit eri alueille asettelua ja reititystä varten.
Signaalien reititys autoteollisuuden piirilevyissä
Autoissa johtoniput ovat yleisiä. Eri jännitetasot, virtakoot ja suunnat niputetaan yhteen. Herkkien komponenttien huono sijoittelu tai heikkolaatuiset komponentit voivat aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI). Huono signaalin reititys voi aiheuttaa kohinaa. Kun sijoitat signaaleja, kiinnitä huomiota näihin sääntöihin:
Vältä äkillisiä impedanssin muutoksia signaalijohdoissa.
Pienennä signaalisilmukoiden kokoa säteilyn vähentämiseksi.
Varmista, että vierekkäisten signaalikerrosten jäljet ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden.
Sijoita nopeat digitaaliset ja matalan tason analogiset signaalijäljet maatasojen viereen. Aseta matalanopeat ja korkean tason analogiset jäljet kauempana oleville kerroksille.
Vältä tulo- ja lähtöjohtojen rinnakkaista reititystä. Se vähentää takaisinkytkentää.
Käytä differentiaaliparin reititystä nopeille signaaleille. Se vähentää sähkömagneettista säteilyä.
FPC:n soveltaminen uusissa energiajoneuvoissa
1. Perinteisten kuparijohtosarjojen rajoitukset
Keräinjohdot ovat olennainen osa akunhallintajärjestelmää (BMS) uusissa energiaajoneuvoissa. Ne valvovat akkukennojen jännitettä ja lämpötilaa. Ne yhdistävät tiedonkeruun ja -siirron, ja niissä on usein ylivirtasuojaus. Ne suojaavat akkukennoja ja kytkeytyvät automaattisesti irti oikosulussa.
Ennen akun keräilyjohdotuksessa käytettiin perinteisiä kuparijohtosarjoja. Jokaisessa johdinsarjassa käytettiin muovilla eristettyä kuparia. Kun käytössä oli monia virtasignaaleja, tarvittiin monia johdinsarjoja. Se vie tilaa. Akkupaketin kokoonpanovaiheessa työntekijät kiinnittivät johdinsarjojen päät käsin akkupakettiin. Tämä johtaa vähäiseen automatisointiin.
2. FPC:n edut ja yksityiskohdat
Kuparivaljaisiin verrattuna FPC-levyillä (joustavat painetut piirilevyt) on etuja. Ne ovat pitkälle integroituja, erittäin ohuita ja erittäin joustavia. Nämä ominaisuudet edistävät turvallisuutta, keveyttä ja siistiä asettelua. Lisäksi FPC:t ovat ohuita ja ne voidaan sovittaa akkupakettiin. Kokoonpanon aikana robottikäsivarret voivat poimia ja asettaa ne suoraan akkupakettiin. Tämä helpottaa automaatiota ja tukee massatuotantoa. FPC:llä on selvästi taipumus korvata kuparijohtimet.
Edut ja yksityiskohdat:
Turvallisuussuorituskyky: FPC:t käyttävät metallikalvoa kytkeytyäkseen virtakiskoihin. Niihin voi sisältyä sulakesuojausrakenne. Tämä takaa nopeat signaalireitit. Jos tapahtuu oikosulku, FPC-sulake sulaa ja katkaisee linjan. Tämä estää tulipalon tai räjähdyksen akkupaketin muissa osissa.
Kevyt: FPC:t vievät vähemmän tilaa ja painavat vähemmän kuin johdinsarjat ja jotkin signaalin keräämiseen käytettävät piirilevyt.
Prosessin joustavuus: FPC:t poistavat monia manuaalisia liitäntävaiheita. Ne mahdollistavat ultraäänihitsauksen, juottamisen ja muut prosessit. Paksuudeltaan piirin pinta-ala voi olla 0,34 mm ja NTC-pinta-ala 2 mm. Ne voivat taipua 90° tai 180°. Nämä ominaisuudet antavat suuren suunnitteluvapauden.
Automatisoitu tuotanto: FPC:t ovat muodoltaan säännöllisiä ja hyvin integroituneita. Ne vähentävät manuaalista johtojen reititystä. Ne sopivat mekaaniseen, laajamittaiseen tuotantoon. Tämä vähentää huomattavasti kokoonpanoon kuluvaa aikaa ja työvoimaa. Ne tukevat akkupakettien kokoonpanon automatisointia.
Automotive PCB Markkinat
1. Markkinatekijät ja tärkeimmät sertifikaatit
Viime vuosina uusien energia-ajoneuvojen yleistyminen on vauhdittanut piirilevyteollisuuden kasvua. PCB:t ovat elektronisten osien rakenteellinen perusta. Niillä on keskeinen rooli tehonsäätö-, turvavalvonta-, korielektroniikka- ja infotainment-järjestelmissä.
Uutta energiaa käyttävät ajoneuvot tarvitsevat enemmän elektronista ohjausta kuin perinteiset polttoaineautot. Sähköistymisen, älykkyyden ja verkkoyhteyksien kaltaiset suuntaukset lisäävät huippuluokan autojen piirilevyjen kysyntää. Tähän kysyntään liittyy tiukkoja luotettavuusvaatimuksia. Piirilevyjen on usein läpäistävä pitkät testit. Testit voivat kestää yhdestä kolmeen vuotta, ennen kuin osa saa toimittajan hyväksynnän.
Autoelektroniikkateollisuudella on tiukat standardit autoluokan tuotteille. Tärkeimpiä sertifikaatteja ovat AEC-Q100, IPC-6011 ja IATF 16949. Nämä standardit nostavat markkinoille pääsyn esteitä ja luovat teknisen vallihaudan päteville piirilevyjen toimittajille.
Maailmanlaajuiset autoteollisuuden PCB-markkinat kasvavat edelleen. Uuden energian ajoneuvojen käyttöönotto on keskeinen ajuri. Tesla, joka on sähköajoneuvojen maailmanlaajuinen markkinajohtaja, käyttää paljon piirilevyjä autoa kohden. Teslan mallisarjassa invertteriosat ja BMS käyttävät monia piirilevyjä. Tämä lisää piirilevyjen arvoa autoa kohti.
Sähköistyminen ja älykkyystrendit tulevat jatkossakin vauhdittamaan markkinoita. Aasian ja Tyynenmeren alueella ja Kiinassa kasvu jatkuu voimakkaana. Kiinan kotimaisilla valmistajilla on vielä tilaa kasvaa maailmanmarkkinoilla.
2. Autoteollisuuden PCB-tyypit
Autoteollisuuden piirilevyihin kuuluvat monikerroksiset piirilevyt, joustavat piirilevyt (FPC), HDI-levyt (korkean tiheyden liitäntä), suurtaajuuspiirilevyt ja muut tyypit. Jokaisella tyypillä on erilaiset materiaalit ja käyttötarkoitukset. Kullakin on oma tehtävänsä eri tilanteissa.
3. Markkinatiedot ja suuntaukset
Markkinatiedot ja suuntaukset (yhteenveto toimialan tiedoista):
Ennuste osoitti, että maailmanlaajuiset autoteollisuuden PCB-markkinat olivat $8,84 miljardia dollaria vuonna 2022. Sen odotetaan saavuttavan $13,39 miljardia USD vuoteen 2030 mennessä. Yhdistetty vuotuinen kasvuvauhti (CAGR) on 5,6%.
Aasian ja Tyynenmeren alueella markkinat olivat $4,42 miljardia dollaria vuonna 2021. Se nousi $4,83 miljardiin USD vuonna 2022.
Uuden energian ajoneuvojen kasvu on tärkein piirilevyjen kysyntää lisäävä tekijä. Vuonna 2019 yhden ajoneuvon PCB-arvot olivat suunnilleen: low-end-autot $30-40, keskiluokan autot $50-70, high-end-autot $100-150. Sähköistymisen ja muiden suuntausten myötä ajoneuvokohtaisen piirilevyn arvon pitäisi nousta jyrkästi. Ennusteen mukaan autojen piirilevyjen maailmanmarkkinat nousisivat $12,48 miljardiin dollariin vuoteen 2028 mennessä. CAGR vuodesta 2020 vuoteen 2028 oli noin 5,3%.
Toisessa ennusteessa arvioitiin, että maailmanlaajuisten uusien energia-autojen piirilevyjen markkinoiden koko olisi 30,095 miljardia RMB vuoteen 2025 mennessä. Sen CAGR on paljon korkeampi kuin perinteisten polttoaineajoneuvojen. Sen sijaan perinteisten polttoaineajoneuvojen piirilevymarkkinoiden odotettiin laskevan noin 32,925 miljardiin RMB:hen vuoteen 2025 mennessä.
Autoteollisuuden piirilevyjen kysyntä keskittyy monikerroslevyihin ja HDI-luokan huippualueisiin. Markkinakilpailu on suurempaa keski- ja alapäässä.
Jycircuitboardin tiedot PCB-tyypin osuudesta automarkkinoilla osoittavat:
1-2-kerroksiset piirilevyt: 26,93%
4-kerroksiset piirilevyt: 25.70%
6-kerroksiset piirilevyt: 17,37%
8-16-kerroksiset piirilevyt: 3.49%
HDI-levyt: 9.56%
FPC:t (joustavat piirilevyt): 14,57%
IC-alustat: 2.38%
Nämä luvut osoittavat, että monikerroksiset levyt ovat tärkein tarve ajoneuvoelektroniikassa. HDI:llä ja FPC:llä on tärkeä rooli huippuluokan sovelluksissa.
Loppuyhteenveto
Autoteollisuuden piirilevyillä on tiukat tekniset tarpeet. Sinun on valittava oikeat materiaalit. Sinun on noudatettava tiukkoja suunnittelusääntöjä. Sinun on käytettävä valvottuja valmistusvaiheita ja tiukkoja testejä. Sinun on keskityttävä virta- ja maadoitusreititykseen sekä signaalien asianmukaiseen reititykseen. FPC:t yleistyvät akkujärjestelmissä. Markkinat kasvavat ajoneuvojen sähköistymisen ja älykkyyden myötä. Korkean luotettavuuden, monikerroksisuuden, HDI:n ja FPC-piirilevyjen kysyntä tulee olemaan suurta. Valmistajien on täytettävä standardit ja testisyklit. Näin toimittajien on mahdollista osallistua kasvaviin automarkkinoihin.