汽车对PCB的性能及制作要求

1、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 的小意图。交通丄貝互联交逢LKf皿化交通1：具动力系燥押电气化图1：汽午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（來源：B

2、osch）图4：动力传动和电气化移动性示例（來源：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 一辆由儿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

3、模式。图6显示了汽车电子所要求的PCB特性。内部轲层学啰卜层的铜层微通孔可能式：1. 镀通孔或内铜层裂纹2. 今陶层裂纹3. 微导通孑圍纹4. 半固化片裂纹5. 裂纹6. PCB表面电化学迁移镀通孔 o微通孔OPCBI硕员荷PCB的组装员荷* .-温度循环及贮存-族焊弯曲选择焊震动压合技术湿度-荷瞬- 图5 PCB的常见环境负荷和组装负倚及其导致的可能失效模式PC瞒性图6： PCB关键特性示虑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

4、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。塑彫卜題舉开如卜壳的更长运行时间及长期开机模式 的堵加了 PCB内部及表面的温度负荷及PCR上的结短同明更长的温度/J度/僞压(THB)影晌更热的应用及由丁更高电流导 致PCB热点的发展趋势塔加了 81块pcb或热点处的温度负及温度周期负荷(160175%：)由过去的8000谢上升到了现在的130000谢图7：増加了环境负荷要求采用汽千电子专用材料及理念,必须彻底r解原因和相互之间的影响功能需求也是多种多

5、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儿百安培的电流, 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，才能够使用有儿千个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。在小体积的容器中有更高运 行电压的发展稔势电压帥到800V （电迪）鹿离降低.小于lOOgm （对于信号）有机B板上的电力电子高速应用（车辆计算机.雷 达）的发展趋势器件间距小（约0.4mm）.I/O

6、更多（约3000）的发展必要层数埴加（约20层）.导坡/间距（约70nm）.导通孔直径减小（直径为80啊预的诫导通九）増加了基板上的铜（如总线条）或电源线周围的同部各向异性剂热可悝阻抗及离埋林f斗达到lOGblt/s(现妙lOOMbM/s-1 Gbll/s) |J77GHz图8：新型PCB （如电力PCB及髙集成逻辑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

7、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表而的失效模式即使没有结露，如果没有仔细选择材料，髙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

8、、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。PCB上的局部湿度负荷:PCB上设计姜素的负裁能力:符合H9202标准的3坯试样1350306090120150Time (hour)61112C /SS C, 90-100% r.h.)0 9 8 71图11：通过测塑锻苛刻条件下封闭外壳内材料和设il的SIR,对材料和设讣进行鉴定在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

9、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。导电阳极丝、纤维空洞血负荷和鹿导致树脂开裂图12： PCB内部的失效模式,因为现场负荷増加（尤其是在亚洲市场）,越來越需契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

10、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。pCB内局部湿度负荷：第零周第一周6Z)澤十家嘤眞第二周第三周10.32 皿)179 (6645752es95S4J3use (啊 it n im*.胁)(46*X)3&C287 kOrrtM图13：通过模拟模型对PCB内局部湿度进行实际预测图14： PCB内环境负荷及所用材料的员荷能力高速要

11、求对于互连性或图像识别(未来会达到10GHz),高速应用如雷达(77GHz), 以及信号处理等都需要明确定义基板和设计规则要素。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）的电气待性，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：O更长的寿命（充电时间、运行时间）；O更高的温度负荷（微型电子产品、新应用）；O更小的距离 （微型化、功能-互联互通、自动化）；O更大的湿度负荷；O更高的频率。即将面临的挑战:o需要针对温度负荷优化PCB （TC级别达到150C