未來汽車對PCB的性能及制作要求

前言

不久的將來，汽車電子的功能及環保要求將發生巨大變化。主要是受到了三大趨勢的影響：自動駕駛、互聯互通的汽車及不斷增加的電動汽車數量。像汽車內車載倒車三合一的功能就包含影像、雷達、語音，因此在設計控制板的時候這些是著重點之一，這些功能要求也帶動著汽車電子的發展。

上述趨勢將會增加汽車中電子產品的附加值。對于PCB，所采用的技術將要能夠應付多個100A的高電流及GHz數量的信息處理。從產品性能的角度來看，遠遠超過了現在汽車中的PCB功能，需要采用新的理念。圖1到圖4給出了互聯移動性、自動化移動性、動力傳動系統和電氣化移動性的示意圖。

圖1：汽車電子的三大發展趨勢

圖2：互聯移動性示例

圖3：自動移動性示例

圖4：動力傳動和電氣化移動性示例

與PCB中信號處理有關的多數技術，都可用于消費類產品行業，但用于汽車行業時，必須針對必要的質量和可靠性要求進行轉換。對于電力電子產品，為了使其批量生產以獲得更大的市場，有必要開發新的PCB。但截止到目前為止，電力電子產品僅進行了小批量的生產。

PCB是這些電子系統的關鍵部件，考慮到高速要求，PCB不只是設備之間的連接部件。必須特別注意可能會導致短路或開路的PCB失效模式。在一輛由幾百伏的電壓提供動力的無人駕駛汽車中，必須徹底了解其中的PCB以保證它的可靠運行。圖5顯示了PCB在生產和產品壽命期間的常見負荷，及其主要的失效模式。圖6顯示了汽車電子所要求的PCB特性。

圖5 PCB的常見環境負荷和組裝負荷及其導致的可能失效模式

圖6：PCB關鍵特性示意圖

汽車對未來電子產品的要求

汽車對PCB的特定要求受到了其壽命期間環境負荷如溫度、濕度及震動負荷的影響。取決于具體的應用，多樣化要求將會增加。一方面，電子產品越來越小，距離致動器（如引擎）越來越近，例如功率電子元件要能經受更高的溫度；另一方面，諸如車載電腦之類的電子設備可更好地防止外部應力的作用，由于充電時間及一天24小時不間斷服務，需要有更長的使用壽命。圖7列出了對PCB及基板的要求。

圖7：增加了環境負荷要求采用汽車電子專用材料及理念，必須徹底了解原因和相互之間的影響

功能需求也是多種多樣的。在電動車中使用PCB可能是具有成本效益的解決方案，但PCB必須要能夠經受100萬小時壽命時間內幾百安培的電流，及高達1000伏的電壓等汽車環境。

為了滿足自動駕駛及互聯汽車的信號處理要求，汽車的HDI技術還必須向前邁進一大步，才能夠使用有幾千個I/O和BGA間距<0.8 mm的處理器和存儲器。高速要求需要使用新材料，新材料必須應對環境要求，特別是濕度和溫度。圖8總結了重要的功能要求。

圖8：新型PCB（如電力PCB及高集成邏輯PCB）必須具備的新功能要求

 汽車環境中的溫度及濕度導致的失效模式

對于汽車電子產品，長期以來，行業一直重點關注由于溫度循環引發的失效，目前已針對這種失效模式優化了材料。但是，濕度和溫度也很關鍵，盡管汽車的很多應用證實了在運行模式下的自加熱。在啟動前，汽車可能在潮濕的環境中停放數天或數周，濕度可通過塑料或大氣補償組件進入電子產品。

濕度對PCB表面及內部結構的影響是問題的主要方面，已對可能的失效模式進行了詳細的研究。因此本文將強調由于溫度、濕度及偏壓（THB）導致的失效。圖9顯示了在PCB結露（水冷凝）期間導電晶體的生長，這是必須要避免的。

圖9: PCB表面的失效模式

即使沒有結露，如果沒有仔細選擇材料，高濕度也會造成電氣短路。表面絕緣電阻（SIR）會下降，可能導致電子產品失效。我們的方法是通過模擬及實驗測試徹底了解保護罩（金屬或塑料外殼）內的溫濕度狀況。

另一方面，我們會根據IPC-9202中的SIR測試方法，在不同的溫度和濕度的條件下鑒定所用材料（如PCB、器件、助焊劑、散熱界面材料或覆形涂層）和設計要素。通過圖10和圖11顯示的這種方法，所選擇的設計元素和材料是安全可靠的，確保了汽車在產品生命周期內的適當功能。

圖10：通過有效的模擬模型預測ECU中局部濕度的實際狀況

圖11：通過測量最苛刻條件下封閉外殼內材料和設計的SIR，對材料和設計進行鑒定

在PCB內部，濕度也十分關鍵，由于電化學遷移（ECM）可能導致不同類型的失效模式。導電陽極絲（CAF）或中空纖維是行業中已知的失效模式。對鍍通孔周圍變形區、界面處的PCB裂紋或散裝材料的裂紋必須進行研究。樹脂裂紋可能是由于溫度下降、高壓力、彎曲和/或機械負荷而導致的。此外，PCB材料在高壓下的性能也需要研究。所有這一切對于保證PCB絕緣特性都是必要的。圖12顯示了會造成短路和漏電的常見PCB內部失效。

圖12：PCB內部的失效模式，因為現場負荷增加（尤其是在亞洲市場），越來越需要關注由于濕度誘發的失效

為了保證汽車電子產品中PCB基板的穩定性，模擬了電子系統中PCB內的局部環境條件如溫度和濕度。模擬條件將與所用材料的負荷能力以及設計進行比較。得出的壽命模型有助于將PCB鑒定測試結果轉換為電子系統中的實際狀況，并確定PCB內設計準則的適當距離。

同時針對CAF失效模式進行了模擬測試，正在考慮對PCB其它裂紋進行模擬測試。目前，鑒定測試和壽命模型仍正在開發中。如果沒有適用的壽命模型，必須通過材料限制或嚴格的工藝控制（如對于中空纖維失效模式）去除材料或失效模式。圖13和圖14總結了這種方法。

圖13：通過模擬模型對PCB內局部濕度進行實際預測

圖14：PCB內環境負荷及所用材料的負荷能力

高速要求

對于互連性或圖像識別（未來會達到10GHz），高速應用如雷達（77GHz），以及信號處理等都需要明確定義基板和設計規則要素。消費品行業的阻抗可控PCB疊層和PCB供應商工藝控制都是標準的，汽車行業必須保證優質的信號完整性和電源完整性，并具備良好的電磁兼容性。需要特別注意材料的選擇，以保證除電氣性能外，材料在溫度、濕度、偏壓方面的穩定性，這將導致未來對材料選擇及設計規則的限制。為了確保必要的電氣性能，要鑒定PCB供應商在高速應用方面的資質。

考慮到PCB基材（Dk、Df）的電氣特性，汽車應用必須考慮生產容差及環境的影響，如溫、濕度會影響電氣值。例如，在熱老化過程中，材料的相對介電常數和介電損耗都會降低，但介電常數會隨著環氧樹脂材料中水分含量的增加而增加。

結論

汽車電子的功能及要求面臨著巨大的變化?？尚薷幕蛘{整消費類產品行業的解決方案，以滿足汽車產品要求，并且必須發展電力電子批量生產的新理念。

總結汽車的更高要求：

o更長的壽命（充電時間、運行時間）；

o更高的溫度負荷（微型電子產品、新應用）；

o更小的距離 （微型化、功能-互聯互通、自動化）；

o更大的濕度負荷；

o更高的頻率。

 即將面臨的挑戰：

o需要針對溫度負荷優化PCB（TC級別達到150℃；未來將需要達到160℃以上）；

o考慮到2個電位之間可能形成裂紋，在更高溫度下的材料必須保持穩定；

o所有使用的材料在濕度、溫度及偏壓下必須不能發生相互作用；

o目前用現有材料實現高速設計是可能的；但在未來，新型材料是必要的（>10 GHz）。

尤其是在設計和生產有可靠性要求的PCB產品時，必須考慮汽車所處的特殊環境條件。適當的PCB用新材料鑒定策略是必要的，目前正在開發中。

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