1. 차량용 전자장치의 정의 및 분류
자동차 PCB는 차량 전자 장치에 사용하기 위해 만들어진 인쇄 회로 기판을 말합니다. 자동차 전자장치는 크게 두 가지 그룹으로 나뉩니다. 한 그룹은 차체 전자 제어 시스템입니다. 다른 그룹은 차량 내 전자 제어 시스템입니다. 차체 제어 시스템은 더 세분화할 수 있습니다. 엔진 제어 시스템, 도어 및 조명용 차체 제어 시스템, 섀시 제어 시스템 등이 여기에 포함됩니다. 차체 제어 시스템은 자동차 기계 부품과 전자 부품을 연결합니다. 전자 부품을 통해 기계 부품이 더 잘 작동하도록 합니다. 자동차가 더 부드럽고 안전하게 달릴 수 있도록 도와줍니다.
차량 내 전자 시스템에는 차량 멀티미디어 시스템, 내비게이션 시스템, 주행 기록 장치, 후방 주차 레이더 및 기타 시스템이 포함됩니다. 이러한 시스템은 자동차를 더 쉽게 사용하고 엔터테인먼트 기능을 추가할 수 있게 해줍니다. 이러한 시스템은 운전자와 동승자가 차량을 사용하는 방식을 변화시킵니다. 전반적인 사용자 경험을 개선합니다.
2. 자동차 인텔리전스가 주도하는 수요 증가
자동차가 스마트해짐에 따라 차량용 PCB의 사용량도 증가하고 있습니다. 신호는 더 빠르고 더 높은 주파수로 실행됩니다. 따라서 PCB는 효율적이면서 동시에 매우 안정적이어야 합니다.
3. 자동차 PCB의 핵심 이점
PCB는 여러 가지 강력한 이점이 있기 때문에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 부품의 고밀도를 허용합니다. 따라서 집적 회로의 고집적화와 더 나은 실장 기술로 발전하고 있습니다. 또한 매우 신뢰할 수 있습니다. 많은 검사, 테스트 및 에이징 테스트를 통해 고장 없이 오랫동안 작동할 수 있습니다. 가장 중요한 점은 PCB를 조립할 수 있다는 것입니다. PCB를 사용하면 표준 부품을 쉽게 장착할 수 있습니다. 자동화 및 대량 생산에 적합합니다. PCB를 다른 부품과 조립하여 더 큰 모듈, 시스템 및 전체 기계를 만들 수 있습니다.
4. 새로운 에너지 차량의 PCB 수요 증가
기존 자동차에 비해 신에너지 자동차는 더 많은 전자 패널을 사용합니다. 한편으로 신에너지 자동차의 전자 시스템은 기존 내연기관 자동차보다 더 많은 전자 제어를 필요로 합니다. 반면에 신에너지 자동차의 핵심은 배터리, 모터, 전자 제어 장치입니다. 이러한 부품은 기존 자동차보다 전자 부품의 함량을 훨씬 높입니다. 이 두 가지 요소로 인해 자동차에 필요한 PCB의 수가 증가합니다. 또한 PCB 유형이 저가 기판에서 고가 기판으로 바뀌고 있습니다. 자동차 PCB의 차량당 가치는 계속 상승하고 있습니다.
자동차 PCB의 공정 요구 사항
1. 재료 선택
모든 PCB의 경우 재료 품질은 전체 제품 품질에 큰 영향을 미칩니다. 자동차 PCB를 제작할 때는 자동차 환경이 소재에 어떤 영향을 미치는지 고려해야 합니다. 따라서 자동차 PCB용 고품질 소재를 선택해야 합니다. 고온 및 저온, 고압 및 기타 가혹한 조건을 견딜 수 있는 소재를 선택하십시오.
고-Tg 기질: Tg ≥ 170°C의 에폭시 수지를 사용합니다. (일반 FR-4의 Tg는 약 130°C입니다.) 150°C에서는 굴곡 강도가 일반 기판의 약 6분의 1로 떨어집니다.
폴리이미드(PI): 터보차저 근처에서 최대 260°C의 Tg를 가진 PI 기판을 사용합니다. PI는 최대 200°C까지 단기간의 극한 환경을 견딜 수 있습니다.
강도와 장기적인 안정성을 고려한 소재를 선택하세요. 열, 습기, 화학적 스트레스에 강한 소재를 선택하세요. 이러한 선택은 PCB가 차량에서 안정적인 전기적 및 기계적 특성을 유지하는 데 도움이 됩니다.
2. 디자인 규칙
자동차 PCB 제작은 복잡한 과정입니다. 제대로 된 자동차 PCB를 만들려면 많은 설계 규칙과 제조 표준을 따라야 합니다. PCB 설계자는 이러한 규칙을 반드시 알아야 합니다. 설계자는 표준을 면밀히 따라야 합니다.
일반적인 프로세스 문제, 해결 방법 및 결과 표입니다:
| 일반적인 과제 | 솔루션 | 결과 |
|---|---|---|
| 진동 장애 | 두꺼운 벽으로 도금된 관통 구멍(구리층 ≥ 25μm)과 둥근 모서리. | 100만 진동 주기(일반 소비자 수준의 10배) 후에도 분리되지 않습니다. |
| 열 병목 현상 | 임베디드 구리 블록 및 마이크로 홀 어레이(홀 직경 ≤ 0.2mm). | 국부 열 저항이 35% 감소합니다. IGBT 접합 온도 <125°C. |
| 납땜 위험 | SAC305 무연 솔더(융점 217°C)와 금도금 패드를 사용합니다. | 솔더 접합 강도는 150°C에서 95% 이상을 유지합니다. |
디자인 작업에는 레이아웃, 간격, 패드 크기, 비아 및 열 릴리프도 포함되어야 합니다. 둥근 트레이스 모서리와 적절한 비아 배치를 사용합니다. 기계식 마운팅 구멍과 보드 가장자리에 주의하세요. 보드가 섀시에 장착되는 곳에 보강재를 추가합니다. 보드가 차량의 진동 및 충격 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
3. 프로세스 흐름
자동차 PCB 제조 시에는 일련의 표준화된 프로세스 단계를 따릅니다. 이를 통해 원활한 생산 주기를 보장합니다. 각 단계의 세부 사항을 확인하세요. 주요 단계에 품질 검사 지점을 추가하여 최종 제품이 요구 사항을 충족하는지 확인하세요. 지정된 지점에서 육안 검사, 치수 검사, 전기 테스트 및 환경 테스트를 수행하세요. 자동 광학 검사(AOI), 엑스레이 및 플라잉 프로브 테스트를 사용하여 결함을 조기에 발견하세요.
4. 기술 개발 방향
위의 공정 요구 사항 외에도 새로운 PCB 기술 트렌드를 살펴보세요. 전기 자동차, 첨단 운전자 지원 및 자율 주행 자동차는 PCB 기술을 발전시키고 있습니다. 향후 주요 방향은 다음과 같습니다:
다층 보드 설계: 신호 품질에 대한 요구가 증가함에 따라 다층 설계가 더욱 보편화되고 있습니다. 레이어가 많을수록 신호 라우팅 및 접지에 도움이 되고 임피던스 제어에 도움이 됩니다.
고속 신호 전송: 자동차는 더 빠른 정보 교환이 필요합니다. 고속 신호 설계는 핵심 기술입니다. 임피던스를 제어하고, 제어 유전체를 사용하고, 접지면을 적절히 배치해야 합니다.
소형화 및 경량화 설계: 차체는 더 작고 가벼운 부품을 요구합니다. PCB는 새로운 비용 및 안정성 요구 사항을 충족해야 합니다. 더 얇은 기판과 컴팩트한 디자인은 공간과 무게를 절약하는 데 도움이 됩니다.
전반적으로 자동차 PCB에는 높은 기술 및 공정 표준이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 충족하려면 여러 측면을 고려해야 합니다. 그래야만 PCB 성능과 품질을 보장할 수 있습니다. 기술이 발전함에 따라 자동차 산업은 계속 더 스마트해질 것입니다. PCB 산업도 계속 혁신하고 개선할 것입니다.
자동차 전자 PCB를 위한 전력 및 접지 라우팅
CD 및 VCD 플레이어와 같은 카 오디오 및 비디오 시스템에는 많은 CMOS 디지털 장치와 혼합 신호 아날로그 장치가 사용됩니다. 이러한 장치가 동시에 작동하면 PCB의 전원 및 접지 레벨에 변화가 생깁니다. 이러한 변화는 신호 스파이크, 오버슈트 또는 감쇠 진동으로 이어집니다.
적절한 전원 라우팅 레이아웃은 라인과 임피던스로 인한 전압 강하와 고주파 전자기 변환 노이즈를 줄이는 것을 목표로 합니다. 중간이 얇고 끝이 두꺼운 전원 트레이스는 설계하지 마세요. 이러한 패턴은 큰 전압 강하를 유발할 수 있습니다. 날카로운 곡선 대신 큰 반경의 굴곡을 사용합니다. 둥근 호 모양이 더 좋습니다. 허용되는 경우 비아를 더 크게 만드세요. 가능하면 비아 근처에 필터 커패시터를 추가합니다.
접지 라우팅은 크게 두 가지 방식으로 전자파 적합성(EMC)에 도움이 됩니다. 첫째, 접지는 신호 루프 영역을 줄입니다. 따라서 방사선이 줄어들고 간섭에 대한 내성이 향상됩니다. 둘째, 접지는 트레이스 또는 회로 간의 누화를 줄입니다. 접지는 전자기 에너지가 소스로 되돌아가는 좋은 경로를 제공합니다. 이렇게 하면 에너지가 보호 도체에 도달하는 것을 방지할 수 있습니다.
PCB 트레이스의 특성 임피던스는 간섭에 대한 보드 내성에 직접적인 영향을 미칩니다. 저항이 낮을수록 공통 임피던스가 감소하고 접지선 간섭이 줄어듭니다.
보드를 기능 영역으로 나눕니다. 각 구역의 접지선을 병렬로 연결한 다음 한 지점에 묶습니다. 보드에 회로 장치가 여러 개 있는 경우 각 장치에 독립적인 접지 리턴 루프를 부여합니다. 그런 다음 각 장치를 하나의 공통 접지 지점에 연결합니다. 이렇게 하면 한 장치의 접지 전류가 다른 장치로 흐르는 것을 방지할 수 있습니다. 상호 누화를 방지합니다.
전원 및 접지 트레이스는 가능한 한 넓게 만드세요. 피치가 0.5mm인 장치의 경우 트레이스 폭을 0.3mm(12밀) 이상으로 유지합니다. 혼합 신호 보드의 경우 디지털 접지와 아날로그 접지를 분리합니다. 그렇지 않으면 전자기 방사 및 신호 누화가 급격히 증가할 수 있습니다. 이는 EMC 문제를 일으킵니다. 따라서 레이아웃 및 라우팅을 위해 디지털 회로와 아날로그 회로를 서로 다른 구역에 배치하세요.
자동차 PCB의 신호 라우팅
자동차에서는 전선 묶음이 일반적입니다. 전압 레벨, 전류 크기 및 방향이 서로 다른 전선이 함께 묶여 있습니다. 민감한 부품을 잘못 배치하거나 품질이 낮은 부품을 사용하면 전자파 간섭(EMI)이 발생할 수 있습니다. 신호 라우팅이 잘못되면 노이즈가 발생할 수 있습니다. 신호를 레이아웃할 때는 다음 규칙에 주의하세요:
신호 트레이스에서 갑작스러운 임피던스 변화를 피하세요.
신호 루프 크기를 줄여 방사선을 줄이세요.
인접한 신호 레이어의 트레이스가 서로 직교하는지 확인합니다.
고속 디지털 및 저레벨 아날로그 신호 트레이스를 접지면 옆에 배치합니다. 저속 및 고레벨 아날로그 트레이스는 멀리 떨어진 레이어에 배치합니다.
입력 및 출력 라인의 병렬 라우팅을 피하세요. 그러면 피드백 커플링이 줄어듭니다.
고속 신호에는 차동 쌍 라우팅을 사용합니다. 그러면 전자기 방사선이 줄어듭니다.
새로운 에너지 차량에 FPC 적용
1. 기존 구리선 하네스의 한계
컬렉터 라인은 새로운 에너지 차량의 배터리 관리 시스템(BMS)에 필수적인 부품입니다. 수집 라인은 파워 배터리 셀의 셀 전압과 온도를 모니터링합니다. 데이터 수집과 전송을 연결하고 과전류 보호 기능이 있는 경우가 많습니다. 배터리 셀을 보호하고 단락 시 자동으로 연결을 끊습니다.
이전에는 배터리 수집기 배선에 기존의 구리 와이어 하네스를 사용했습니다. 각 하니스는 플라스틱으로 절연된 구리를 사용했습니다. 전류 신호가 많으면 많은 하니스가 필요했습니다. 이는 공간을 차지합니다. 팩 조립 단계에서는 작업자가 하니스 끝단을 배터리 팩에 수동으로 고정했습니다. 따라서 자동화 수준이 낮았습니다.
2. FPC의 장점 및 세부 사항
구리 하네스와 비교했을 때 FPC(연성 인쇄 회로 기판)는 장점이 있습니다. 고집적, 매우 얇고 유연성이 뛰어납니다. 이러한 특성은 안전성, 경량, 깔끔한 레이아웃에 도움이 됩니다. 또한 FPC는 얇고 배터리 팩에 맞게 맞춤 제작할 수 있습니다. 조립하는 동안 로봇 팔이 배터리 팩을 직접 선택하여 배치할 수 있습니다. 따라서 자동화가 더 쉬워지고 대량 생산이 가능합니다. FPC는 구리 하네스를 대체하는 경향이 뚜렷합니다.
장점 및 세부 정보:
안전 성능: FPC는 금속 호일을 사용하여 버스바에 연결합니다. 퓨즈 보호 설계가 포함될 수 있습니다. 이는 고속 신호 경로를 보장합니다. 단락이 발생하면 FPC 퓨즈가 녹아 라인을 차단합니다. 이렇게 하면 배터리 팩의 다른 부분에서 화재나 폭발을 방지할 수 있습니다.
경량: 신호 수집에 사용되는 와이어 하네스 및 일부 PCB에 비해 FPC는 공간을 덜 차지하고 무게도 더 가볍습니다.
프로세스 유연성: FPC는 많은 수동 커넥터 단계를 제거합니다. 초음파 용접, 납땜 및 기타 공정이 가능합니다. 두께는 회로 영역이 0.34mm, NTC 영역이 2mm일 수 있습니다. 90° 또는 180° 구부릴 수 있습니다. 이러한 기능은 강력한 설계 자유도를 제공합니다.
자동화된 생산: FPC는 규칙적인 모양과 높은 집적도를 갖습니다. 수동 배선 작업이 줄어듭니다. 기계식 대규모 생산에 적합합니다. 따라서 조립 시간과 노동력이 크게 절감됩니다. 배터리 팩 조립 자동화를 지원합니다.
자동차 PCB 시장
1. 시장 동인 및 주요 인증
최근 몇 년 동안 새로운 에너지 차량의 등장으로 PCB 산업이 성장하고 있습니다. PCB는 전자 부품의 구조적 기반입니다. 전력 제어, 안전 제어, 차체 전자 장치 및 인포테인먼트 시스템에서 핵심적인 역할을 합니다.
새로운 에너지 차량은 기존 연료 자동차보다 더 많은 전자 제어 기능을 필요로 합니다. 전기화, 지능화, 네트워크 연결과 같은 트렌드로 인해 하이엔드 자동차 PCB에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이러한 수요에는 엄격한 신뢰성 요구 사항이 있습니다. PCB는 종종 긴 테스트를 통과해야 합니다. 테스트는 부품이 공급업체의 승인을 받기까지 1~3년 동안 지속될 수 있습니다.
자동차 전장 산업은 차량용 제품에 대한 엄격한 기준을 가지고 있습니다. 주요 인증으로는 AEC-Q100, IPC-6011, IATF 16949 등이 있습니다. 이러한 표준은 진입 장벽을 높이고 자격을 갖춘 PCB 공급업체를 위한 기술적 해자를 만듭니다.
글로벌 자동차 PCB 시장은 계속 성장하고 있습니다. 새로운 에너지 차량 채택이 주요 동인입니다. 전기 자동차의 글로벌 리더인 Tesla는 차량 한 대당 많은 양의 PCB를 사용합니다. Tesla 모델 시리즈에서 인버터 부품과 BMS는 많은 PCB를 사용합니다. 이는 차량당 PCB 가치를 증가시킵니다.
전기화 및 인텔리전스 트렌드는 계속해서 시장을 견인할 것입니다. 아시아 태평양 지역과 중국은 계속해서 높은 성장세를 보일 것입니다. 중국의 국내 제조업체들은 여전히 글로벌 시장에서 성장할 여지가 있습니다.
2. 자동차 PCB의 종류
자동차 PCB에는 다층 PCB, 연성 PCB(FPC), HDI 보드(고밀도 상호 연결), 고주파 PCB 및 기타 유형이 있습니다. 각 유형마다 재료와 용도가 다릅니다. 각 유형은 각기 다른 시나리오에서 역할을 수행합니다.
3. 시장 데이터 및 트렌드
시장 수치 및 동향(업계 데이터 요약):
한 예측에 따르면 2022년 전 세계 자동차 PCB 시장 규모는 1조 4천 884억 달러였습니다. 2030년에는 1조 4천 339억 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 연평균 성장률(CAGR)은 5.6%입니다.
아시아 태평양 지역의 2021년 시장 규모는 1조4천420억 달러였습니다. 2022년에는 1조 4천 483억 달러로 증가했습니다.
신에너지 차량의 성장이 PCB 수요를 견인하는 주요 요인입니다. 2019년 단일 차량의 PCB 값은 대략적으로 저가형 자동차 $30-40, 중형 자동차 $50-70, 고급형 자동차 $100-150이었습니다. 전기화 및 기타 추세에 따라 차량당 PCB 가치는 급격히 상승할 것입니다. 한 예측에 따르면 2028년까지 전 세계 자동차 PCB 시장은 $ 124억 8천만 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 2020년부터 2028년까지 연평균 성장률은 약 5.3%입니다.
또 다른 예측에 따르면 2025년까지 전 세계 신에너지 자동차 PCB 시장 규모는 309억 9,500만 위안에 달할 것으로 예상됩니다. 이는 기존 연료 차량보다 연평균 성장률(CAGR)이 훨씬 높은 수치입니다. 반면, 전통적인 연료 차량 PCB 시장은 2025년까지 약 329억 2,500만 위안으로 떨어질 것으로 예상되었습니다.
자동차 PCB 수요는 다층 기판과 HDI 하이엔드 영역에 집중되어 있습니다. 시장 경쟁은 중저가 영역에서 더 치열합니다.
자동차 시장의 PCB 유형별 점유율에 대한 Jycircuitboard의 데이터는 다음과 같습니다:
1-2 레이어 PCB: 26.93%
4레이어 PCB: 25.70%
6층 PCB: 17.37%
8-16 레이어 PCB: 3.49%
HDI 보드: 9.56%
FPC(연성 PCB): 14.57%
IC 기판: 2.38%
이 수치는 멀티레이어 보드가 차량 전자장치의 주요 요구 사항임을 보여줍니다. HDI와 FPC는 하이엔드 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다.
마무리 요약
자동차 PCB는 엄격한 기술적 요구사항에 직면해 있습니다. 올바른 재료를 선택해야 합니다. 엄격한 설계 규칙을 따라야 합니다. 통제된 제조 단계와 엄격한 테스트를 사용해야 합니다. 전원 및 접지 라우팅과 적절한 신호 라우팅에 집중해야 합니다. FPC는 배터리 시스템에서 점점 더 보편화되고 있습니다. 차량의 전기화 및 지능화와 함께 시장이 성장하고 있습니다. 고신뢰성, 다층, HDI 및 FPC 보드에 대한 수요가 증가할 것입니다. 제조업체는 표준과 테스트 주기를 충족해야 합니다. 이를 통해 공급업체는 성장하는 자동차 시장에 참여할 수 있습니다.