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車用電子PCB技術與研發方向

電動車使用大量電池模組蓄能,其控制電路與電池管理電控模組對於PCB的安全要求極高。GM

智能汽車發展話題持續火熱,尤其是全電動EV車掀起綠色運輸熱潮後,緊接著刺激如自動駕駛、聯網汽車、主 / 被動汽車安全等電子設計需求,不僅新技術發展日趨成熟,實現設計所需的車用PCB需求日益增長。

電動車與智能汽車,可以說是推動汽車電子蓬勃發展的關鍵產業趨勢,尤其在環保與智能方向上面,車輛的電控功能或組件,多半扮演極重要的角色,從大量車內 / 外部署的感測器外,讓車輛可以確實掌握行車動態與車輛週邊資訊,在擴增車輛的智能或是電動功能的同時,其實也帶給車輛朝電子應用系統一個大跨度升級與擴展的絕佳機會。

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使用內層厚銅技術(Cu inlay PCB)電路板,其實在製作內/外層厚銅處理是相當不容易的,常規產品厚度最大在105μm左右。SCHWEIZER

汽車電控功能增加  車用PCB用量也同步提升

但為車輛配置大量電子感測器、電子功能模組,這些關鍵的子系統其實也會帶起車用PCB的用量提升,而汽車畢竟跟常規電子設備應用情境不同,汽車可能會有爬山、涉水,戶外停放接受高溫長時間曝曬、甚至漫漫長夜的低溫環境,車輛運輸行駛過程中面對的高速與震動、碰撞,又必須維持子系統的最佳運作狀態。這些應用面與生產面的嚴苛要求,也讓車用PCB在產品要求條件更高,甚至對應的安全檢測條件也較一般消費性電子的要求高許多。

尤其是針對車輛安全議題發展的主 / 被動安全模組,甚至是高安全要求的自動駕駛模組,此外安全要求相對較低的娛樂系統、環景投影等車用電子應用,這些系統模組都須使用PCB串起關鍵元件整合,還必須連同整車進行繁複的驗證要求,符合各國的管理驗證規範,相比消費性電子的產品驗證,車用PCB的相關要求只會更嚴苛。

智能車、電動車  刺激車用PCB用量

台灣在全球印刷電路板的生產製造技術,應是居全球領先的位置,實際產量會以消費性電子用途載板為主,對車用電子領域業者投入相較消費性電子需求仍較少,但隨著智能車、自動駕駛車、全電動車的市場趨於熱絡,發展車用PCB產品或特定技術的業者也會逐漸增加。

對PCB來說,基本上就是乘載各種電子元件、串接應用模組的載板,是電子元件的支撐平台,其中為透過蝕刻導電電路的金屬薄膜連結個關鍵電子元件。

對傳統的PCB來看,多運用印刷方式將預留線路保留、搭配化學藥劑蝕刻掉不要的金屬箔而形成電路板所需的導通線路與圖面,也因此被稱為印刷電路板,新一代的電子產品在追求小型化設計下,電路板設計也必須跟著縮小體積面積,因此新一代小型電路板或高密度載板為使用更精密的工序製作,運用貼附蝕刻阻劑的型態印用曝光顯影處理,再進行更精細的線路蝕刻工序。

車用PCB材料要求與驗證標準更高

雖說一般消費性電子使用的電路板、電子元件載板直接用上車用電子用途,也可以維持正常運作,但實務卻不能直接替用,因為汽車電子依子系統的裝設位置、用途、穩定要求不同,對於電路板的材料、工序等要求就會有極大的不同。

以用在駕駛資訊系統、一般娛樂用車載資通訊等車內電子設備,使用高可靠度、信賴度的1.6mm厚度PCB可在最小的材料與工序調整下,即可達到一般車載電子設備的使用要求。

另在關乎用車安全的車用影像、引擎動力控制單元等,PCB本身就必須增加更多環境條件驗證手段,例如,以冷熱衝擊測試、高溫 / 高潮濕條件環境進行偏差測試等,找出可以耐受更高環境變化的PCB材料表現,避免因為電路板的功能因為受到環境條件變化、而產生線路故障或是材料變異影響電子元件的正確運作狀況。

自動駕駛車、智能車  需高頻用途電路板

另一個發展方向是針對各種智能車、電動車需要的無線傳輸與車聯網應用需求,在車用PCB的產製需求,尤其是針對毫米波雷達的天線應用所需要的高頻率、高頻應用頻段所使用的車用PCB。

針對車用PCB的高頻應用條件,所關注的技術指標除一樣要求產品對巨幅環境條件變化的耐受程度外,也對於傳送損失與特殊基材、複合結構工序有其更高的要求,但若能在繁複條件下又必須達到大量產製的低成本要求就相當不容易了。

另針對安全子系統如煞車、引擎室內個各種控制子系統,對於常年使用的車用電子電路,在PCB驗證除必須扛得過各種冷熱衝擊測試、高濕度測試等,還必須檢視控制焊接剪的裂紋狀態必須限在要求條件值範圍,同時也能確保與維持安裝電子零件能在嚴苛的運行環境下維持正常穩定地接合狀態。

針對大功率、高溫  需特規車用PCB加持

部分高階或是更應用條件,可能會把車用PCB的材質使用到如陶瓷或是其他特殊基材,但實際上這類特殊基材製成的產品並不便宜,為了降低成本、載板重量,如何讓以有機材料為基礎的載板也能達到特殊基材電路板的特性表現,同時能維持低成本與重量的優化就相當困難。

在進階高階車用電路板,引用精細通孔規格,因應如微小下的BGA元件連接與維持較佳使用條件的可能,而為縮小電控模組體積,車用PCB採行多層板設計也相當常見,使用諸如6層板,使用條件並不會比一般消費性電子要求低,唯一不同是車用載板的驗證與復測標準更高。

對於車用電子日趨增加的電動車、全電動車產製需求,在電池大電力大功率控制模組或相關電子子系統,電路板整合大量功率元件或高發熱元件的機會相當高,為了讓PCB本身也能兼具達到散熱處理效用,這種特殊應用的車用PCB也有不同作法改善整體子系統的散熱效果,例如透過將「銅」鑲嵌於PCB內層(Cu inlay PCB),與傳統PCB本身的復合材料基板能提供的散熱輔助效用就優化更明顯。

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