汽车对PCB的性能及制作要求

未来汽车对 PCB 的性能及制作要求_、.前言不久的将来，汽车电子的功能及环保要求将发生巨大变化主要是 受到了三大趋势的影响：自动驾驶、互联互通的汽车及不断增加的电动汽 车数量上述趋势将会增加汽车中电子产品的附加值对于PCB，所采用的技术 将要能够应付多个 100A 的高电流及 GHz 数量的信息处理从产品性能的 角度来看，远远超过了现在汽车中的PCB功能，需要采用新的理念图1 到图 4 给出了互联移动性、自动化移动性、动力传动系统和电气化移动性 的示意图图 1：汽车电子的三大发展趋势图2：互联移动性示例（来源：Bosch）图3：自动移动性示例（来源：Bosch）图4：动力传动和电气化移动性示例（来源：Bosch）与 PCB 中信号处理有关的多数技术，都可用于消费类产品行业，但用于汽 车行业时，必须针对必要的质量和可靠性要求进行转换对于电力电子产 品，为了使其批量生产以获得更大的市场，有必要开发新的PCB但截止 到目前为止，电力电子产品仅进行了小批量的生产PCB是这些电子系统的关键部件，考虑到高速要求，PCB不只是设备之 间的连接部件必须特别注意可能会导致短路或开路的 PCB 失效模式。

在辆由几百伏的电压提供动力的无人驾驶汽车中，必须彻底了解其中的PCB以保证它的可靠运行图5显示了 PCB在生产和产品寿命期间的常见负荷，及其主要的失效模式图6显示了汽车电子所要求的PCB特性r按潘扎或内铜层邂3. 微导通孑加4. 半固化片製纹宝阻焊腆雲纹6. PCE表面电fl学PCBBHt负荷PCB的组装貝荷1-・弯曲•选择焊*黨动•压合技术・湿度图5 PCB的常见环境负荷和组装负荷及其导致的可能失效模式.坏星脚膚 I皿寻电图6： PCB关键特性示意图汽车对未来电子产品的要求汽车对PCB的特定要求受到了其寿命期间环境负荷如温度、湿度及震动负荷的影响取决于具体的应用，多样化要求将会增加一方面，电子 产品越来越小，距离致动器（如引擎）越来越近，例如功率电子元件要能 经受更高的温度；另一方面，诸如车载电脑之类的电子设备可更好地防止 外部应力的作用，由于充电时间及一天 24小时不间断服务，需要有更长 的使用寿命图7列出了对PCB及基板的要求图7：增加了环境负荷要求采用汽车电子专用材料及理念，必须彻底了解原因和相互之间的影响功能需求也是多种多样的在电动车中使用PCB可能是具有成本效益的解 决方案，但PCB必须要能够经受100万小时寿命时间内几百安培的电流, 及高达1000伏的电压等汽车环境。

为了满足自动驾驶及互联汽车的信号处理要求，汽车的HDI技术还必须 向前迈进一大步，才能够使用有几千个I/O和BGA间距〈0.8 mm的处理器 和存储器高速要求需要使用新材料，新材料必须应对环境要求，特别是 湿度和温度图8总结了重要的功能要求►在少体枳的容器中有更高迄 彳〒电压的发展茹势►器件间距m小（约0 dmm},⑷車多（约占000）刊发展►有UW±B9电力电子 *艺臺輙曙加（踰血SD . 嗣觥 f绚7呼］辱通孔直徑碉小（直妙fl0|im~90|ini的槪导肾乳）増加了基板上的掰［如副噬条）或审源线麹围的R§m向异性jw热►扇圍帀用（车辆计篦侃.雷 达）的炭展趟势可椁阳护渥高坤材料後針WG灭讥（^fF^lOOMblt/^lGblt/；} KJZ7GHJ耳1压師型180€¥ （电迪j姻H画■制IL <1吁lflOpm （対于信号）图8：新型PCB （如电力PCB及高集成逻辑PCB）必须具备的新功能要求汽车环境中的温度及湿度导致的失效模式对于汽车电子产品，长期以来，行业一直重点关注由于温度循环引发 的失效，目前已针对这种失效模式优化了材料但是，湿度和温度也很关 键，尽管汽车的很多应用证实了在运行模式下的自加热。

在启动前，汽车 可能在潮湿的环境中停放数天或数周，湿度可通过塑料或大气补偿组件进 入电子产品湿度对 PCB 表面及内部结构的影响是问题的主要方面，已对可能的失效 模式进行了详细的研究因此本文将强调由于温度、湿度及偏压（ THB） 导致的失效图9显示了在PCB结露（水冷凝）期间导电晶体的生长，这 是必须要避免的图9: PCB表面的失效模式即使没有结露，如果没有仔细选择材料，高湿度也会造成电气短路表面 绝缘电阻（SIR ）会下降，可能导致电子产品失效我们的方法是通过模 拟及实验测试彻底了解保护罩（金属或塑料外壳）内的温湿度状况另一方面，我们会根据IPC-9202中的SIR测试方法，在不同的温度和 湿度的条件下鉴定所用材料（如PCB、器件、助焊剂、散热界面材料或覆 形涂层）和设计要素通过图10和图11显示的这种方法，所选择的设计 元素和材料是安全可靠的，确保了汽车在产品生命周期内的适当功能r»星?Ges上te计姜蹇的负栽能力:Q M 60 W 12D 15CTime (hour)瞬坏｛吐 'C /bi 4c, su io(™ r.h.) 丿图11：通过测量最苛刻条件下封闭外壳内材料和设计的SIR，对材料和设计进行鉴定在PCB内部，湿度也十分关键，由于电化学迁移（ECM）可能导致不同类 型的失效模式。

导电阳极丝（CAF）或中空纤维是行业中已知的失效模式 对镀通孔周围变形区、界面处的PCB裂纹或散装材料的裂纹必须进行研究 树脂裂纹可能是由于温度下降、高压力、弯曲和 /或机械负荷而导致的 此外，PCB材料在高压下的性能也需要研究所有这一切对于保证PCB绝 缘特性都是必要的图12显示了会造成短路和漏电的常见PCB内部失效＞导电阳扱丝、纤维空词►机械负荷和温度导致树脂开裂图 12：PCB 内部的失效模式，因为现场负荷增加（尤其是在亚洲市场），越来越需要关注由于湿度诱发的失效为了保证汽车电子产品中PCB基板的稳定性，模拟了电子系统中PCB内的 局部环境条件如温度和湿度模拟条件将与所用材料的负荷能力以及设计 进行比较得出的寿命模型有助于将PCB鉴定测试结果转换为电子系统中 的实际状况，并确定 PCB 内设计准则的适当距离同时针对CAF失效模式进行了模拟测试，正在考虑对PCB其它裂纹进行模 拟测试目前，鉴定测试和寿命模型仍正在开发中如果没有适用的寿命 模型，必须通过材料限制或严格的工艺控制（如对于中空纤维失效模式） 去除材料或失效模式图 13和图14总结了这种方法MB内届部湿U负裔:第零周39畀*S腰眶第一周 第二周第三周11? M 啊 i 11再I咖1° 1備 I7ZX'I:佃居3,■ 3* ，魁,7 j： |lz

消费品行业的阻抗 可控PCB叠层和PCB供应商工艺控制都是标准的，汽车行业必须保证优质 的信号完整性和电源完整性，并具备良好的电磁兼容性需要特别注意材 料的选择，以保证除电气性能外，材料在温度、湿度、偏压方面的稳定性， 这将导致未来对材料选择及设计规则的限制为了确保必要的电气性能， 要鉴定PCB供应商在高速应用方面的资质考虑到PCB基材（Dk、Df）的电气特性，汽车应用必须考虑生产容差及 环境的影响，如温、湿度会影响电气值例如，在热老化过程中，材料的 相对介电常数和介电损耗都会降低，但介电常数会随着环氧树脂材料中水 分含量的增加而增加结论汽车电子的功能及要求面临着巨大的变化可修改或调整消费类产品 行业的解决方案，以满足汽车产品要求，并且必须发展电力电子批量生产 的新理念总结汽车的更高要求：更长的寿命（充电时间、运行时间）； 更高的温度负荷（微型电子产品、新应用）； 更小的距离 （微型化、功能-互联互通、自动化） ； 更大的湿度负荷； 更高的频率即将面临的挑战：需要针对温度负荷优化PCB （TC级别达到150°C；未来将需要达到160°C 以上）；考虑到2个电位之间可能形成裂纹，在更高温度下的材料必须保持稳定；所有使用的材料在湿度、温度及偏压下必须不能发生相互作用；目前用现有材料实现高速设计是可能的；但在未来，新型材料是必要的（＞10 GHz）。

尤其是在设计和生产有可靠性要求的PCB产品时，必须考虑汽车所处的特殊环境条件适当的PCB用新材料鉴定策略是必要的，目前正在开发中。