汽車用印制電路板特性

龔永林

本刊主編

1 汽車電子概要

汽車已經(jīng)從純機(jī)械結(jié)構(gòu)逐步加入電子元素，在上世紀(jì)70年代，汽車含有電子裝置的價(jià)值平均接近100美元，本世紀(jì)初的平均價(jià)值約1500美元，到2013年超過2000美元。目前全球汽車電子市場超過1500億美元，預(yù)計(jì)到2020年將超過2400億美元[1]。

業(yè)界也有認(rèn)為汽車電子系統(tǒng)從2013年約1910億美元預(yù)期到2020年達(dá)到3144億美元，這七年間年均復(fù)合增長率為7.3%。[2]一個頂級的汽車可能包含了150電子控制單元。這些很多都是在駕駛艙內(nèi)應(yīng)用的傳感器和處理器。根據(jù)PCB網(wǎng)絡(luò)/ ZVEI報(bào)道，大約65%電子產(chǎn)品的價(jià)值是在動力系統(tǒng)與車身、底盤，并大多數(shù)涉及數(shù)字電源。而電動汽車中電子系統(tǒng)的價(jià)值會超過70%。

汽車含有電子裝置必定用到印制電路板（PCB），在2014年估計(jì)全球汽車用PCB市場46億美元，預(yù)測2020年將超過70億美元。據(jù)N.T.Infor.在2014年8月報(bào)道，估計(jì)全球汽車用PCB近50億美元。

電子系統(tǒng)在汽車中應(yīng)用目的是提高汽車性能，目前主要有三方面：改善環(huán)境、提高安全、便利舒適。改善環(huán)境是節(jié)省燃料與減少尾氣，從汽油、天燃?xì)?、生物燃料到混合動力、純電動，電動汽車已是汽車發(fā)展的戰(zhàn)略方向。提高安全性是減少交通事故，從安全氣囊到雷達(dá)監(jiān)察、立體攝像、夜間紅外線監(jiān)測、自動避讓及自動駕駛等，無人自動駕駛汽車估計(jì)在三年內(nèi)會商品化。便利舒適是從汽車內(nèi)專用音響、視屏、空調(diào)到電腦、移動通信、互連網(wǎng)、導(dǎo)航和電子收費(fèi)等，這些車載系統(tǒng)考慮更方便與人性化。

2 汽車用印制板基本要求

2.1 品質(zhì)保證要求

客戶為對供應(yīng)商的產(chǎn)品質(zhì)量長期可靠有保證，一個基本的要求是供應(yīng)商有一個健全的質(zhì)量管理系統(tǒng)，即符合國際標(biāo)準(zhǔn)ISO9001。汽車產(chǎn)品有其特殊性，在1994北美三大汽車制造商（福特、通用、克萊斯特）聯(lián)合制定了汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系QS9000。在本世紀(jì)初，由世界汽車制造商聯(lián)合，結(jié)合ISO 9001標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布了新的汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS16949。

ISO/TS16949是國際汽車行業(yè)的技術(shù)規(guī)范，是基于ISO9001的基礎(chǔ)上，加進(jìn)了汽車行業(yè)的特殊要求，其更著重于缺陷防范、減少在汽車零部件供應(yīng)鏈中容易產(chǎn)生的質(zhì)量波動和浪費(fèi)。在貫徹ISO/TS16949時(shí)特別強(qiáng)調(diào)需采用的五大核心工具：生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序（PPAP），規(guī)定了產(chǎn)品在批量投產(chǎn)前或更改后應(yīng)得到顧客批準(zhǔn)的程序；產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃 （APQP），對產(chǎn)品生產(chǎn)前就應(yīng)有質(zhì)量計(jì)劃和先期質(zhì)量分析；失效模式與影響分析 (FMEA)，為預(yù)防產(chǎn)品潛在失效發(fā)生，作分析及提出措施與實(shí)施；測量系統(tǒng)分析（MSA)，對測量結(jié)果的變差進(jìn)行必要分析，確認(rèn)測量的可信性；統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC），應(yīng)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)掌握生產(chǎn)過程與產(chǎn)品品質(zhì)變化。

因此，PCB制造商要進(jìn)入汽車電子市場，第一道門檻就是通過符合TS 16949質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，取得第三方的認(rèn)證證書。

2.2 性能基本要求

2.2.1 高可靠性

汽車的可靠性包括兩個方面：一是使用壽命，在壽命周期內(nèi)保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)；二是耐環(huán)境性，在使用過程中經(jīng)受環(huán)境變化保持功能完好。

汽車的使用壽命在上世紀(jì)九十年代時(shí)平均8年～10年，目前平均在10年～12年。其間汽車中各零部件除輪胎等易損件可更換外，汽車電子系統(tǒng)和PCB都要有這樣的使用壽命。

汽車在使用過程中既要經(jīng)受氣候環(huán)境的影響，從嚴(yán)寒冬季到酷暑夏日與日曬雨淋; 又會受到自身運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的發(fā)熱排氣引起的環(huán)境變化。汽車電子系統(tǒng)和PCB就要經(jīng)受多種環(huán)境考驗(yàn)。車載電子系統(tǒng)所經(jīng)受的環(huán)境變化因素有：溫度、濕度、雨水、酸霧、振動、電磁干擾、電流沖擊等。[3]

當(dāng)然，PCB是安裝于車身內(nèi)的，主要經(jīng)受溫度、濕度環(huán)境影響，有關(guān)汽車各部位最高溫濕度條件如表1和表2。[4]汽車各部位工作環(huán)境最高溫度范圍如圖1。

2.2.2 輕量小型化

汽車輕量小型化有利于節(jié)省能源。減輕汽車重量從每個零部件做起，如一些金屬件被工程塑料件替代，汽車電子裝置和PCB也都要小型化。例如汽車用電子控制裝置（ECU），在2000年代初體積約1200 cm3，現(xiàn)在已小于300 cm3，縮小了四倍多。又例如起動點(diǎn)火器，原為用電線接插連接的機(jī)械式點(diǎn)火器，現(xiàn)改為撓性電纜連接并在金屬盒內(nèi)有PCB的電子式點(diǎn)火器，則體積與重量都減少十倍多。

表1 汽車各部位最高溫度環(huán)境

表2 汽車各部位最高濕度環(huán)境

圖1 汽車各部位工作環(huán)境最高溫度范圍

PCB的輕量小型化體現(xiàn)在增加密度、縮小面積、薄型多層等方面。

3 汽車用印制電路板性能特點(diǎn)

3.1 汽車用PCB種類繁多

汽車是機(jī)械、電子設(shè)備的復(fù)合體，現(xiàn)代汽車技術(shù)匯集了古老傳統(tǒng)工藝和最先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，如手工的內(nèi)裝飾件制作和先進(jìn)GPS定位系統(tǒng)?，F(xiàn)代化汽車中不同部位有不同功能的電子裝置，按照電子裝置不同功能也就采用不同種類的PCB。

在汽車中用到的PCB按基材區(qū)分有兩大類：無機(jī)陶瓷基PCB和有機(jī)樹脂基PCB。陶瓷基PCB的最大特點(diǎn)是耐熱性高和尺寸穩(wěn)定性佳，可直接用于高熱量環(huán)境的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，但陶瓷基板加工性差，陶瓷PCB成本高。現(xiàn)在隨著新開發(fā)的樹脂基材的耐熱性提高了，所以汽車中大多數(shù)采用樹脂基PCB，選擇不同性能的基材以用于不同部位。

常見的顯示車速、里程的汽車儀表及空調(diào)裝置，采用剛性單雙面PCB或撓性單雙面PCB（FPCB）。汽車內(nèi)音響與視屏娛樂裝置，采用雙面與多層PCB，及FPCB。汽車內(nèi)通信與無線定位裝置、安全控制裝置，會采用多層板與HDI板，及FPCB。汽車發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)和動力傳送控制系統(tǒng)，會采用金屬基PCB、剛撓結(jié)合PCB等特種板。為汽車小型化又用到了埋置元件PCB，如在電源控制器中應(yīng)用微處理器芯片直接埋置于電源控制電路板內(nèi)，還有在導(dǎo)航裝置中用到了埋置元件PCB，自動倒車系統(tǒng)的立體攝像裝置也用到埋置元件PCB。

3.2 不同部位PCB有不同的可靠性要求

汽車是涉及公眾安全的交通工具，是屬高可靠性產(chǎn)品范疇，除了常規(guī)的PCB外觀、尺寸和機(jī)械與電氣性能要求外，所用PCB要能經(jīng)受一系列的可靠性試驗(yàn)。

3.2.1 熱循環(huán)試驗(yàn)（TCT，Thermal Cycling Test）

按照汽車不同部位分為五個等級，所用PCB熱循環(huán)溫度如表3。[1]

表3 不同部位PCB熱循環(huán)溫度

此溫度循環(huán)試驗(yàn)過程是：PCB從室溫到最低溫度5 min，在最低溫度放置25 min，從最低溫度升到最高溫度5 min，在最高溫度放置25 min，再從最高溫度降到最低溫度5 min。這樣循環(huán)1000次，測量互連電路的電阻值變化小于10%。相比較軍用PCB標(biāo)準(zhǔn)要求是-65 ℃至+125 ℃，循環(huán)100次，僅是軍品PCB要求低溫更低，而循環(huán)壽命汽車PCB更高。

有熱循環(huán)時(shí)間不同的，例如高Tg（170 ℃）、低CTE基材制作的八層試驗(yàn)樣板，TCT條件是：-40 ℃15 min，25 ℃5 min，125 ℃15 min和25 ℃5 min。經(jīng)受果循環(huán)次數(shù)2500次（PTH銅厚20 μm）或4000次（PTH銅厚25 μm），結(jié)果互連電阻值變化不大于10%。[5]還有的對埋置元件PCB的熱循環(huán)試驗(yàn)循環(huán)3000次，結(jié)果互連電阻值變化不大于5%。[4]

3.2.2 熱沖擊試驗(yàn)

汽車用PCB在高熱環(huán)境中使用較多，尤其是厚銅PCB除了外部環(huán)境熱量外還有自身發(fā)熱的影響，對PCB的耐熱可靠性要求更高。

PCB經(jīng)受熱沖擊的條件是在焊錫溫度260 ℃或288 ℃中浸焊10 s，重復(fù)三次，結(jié)果PCB保持沒有分層、起泡和銅層斷裂等故障?，F(xiàn)在PCB裝配都采用無鉛安裝，焊接溫度較高，因此熱沖擊試驗(yàn)溫度選擇288 ℃。如圖2是14層的厚銅PCB經(jīng)過288℃三次浸焊后的剖面，仍保持完好。[2]

圖2 多層厚銅PCB熱沖擊后剖面

3.2.3 濕熱加偏壓絕緣性試驗(yàn)

汽車用PCB所處環(huán)境多樣性，包括雨天或潮濕的環(huán)境，因此需要進(jìn)行濕熱加偏壓絕緣性試驗(yàn)。濕熱加偏壓（THB，Temperature–Humidity Bias）的試驗(yàn)條件可以是溫度85 ℃、濕度85%RH、附加偏壓可選擇直流電壓24 V、50 V、250 V或500 V，經(jīng)過250 h ～ 1000 h。

濕熱加偏壓絕緣性試驗(yàn)同時(shí)也考驗(yàn)PCB的導(dǎo)電陽極絲（CAF）遷移性。CAF發(fā)生在PCB的相鄰孔與孔之間、相鄰孔與線之間、相鄰線與線之間或相鄰層與層之間這四種情況，它們之間的絕緣性下降甚至短路。應(yīng)有的絕緣電阻值大小，視孔、線、層之間距離而定。

4 汽車用印制電路板加工特點(diǎn)

4.1 高頻基板

汽車防撞/預(yù)見性制動安全系統(tǒng)，相當(dāng)于軍事雷達(dá)裝置，只是屬近場雷達(dá)。其中所用PCB是傳輸微波高頻信號，因此需用低介質(zhì)損耗基材，常用的有聚四氟乙烯（PTFE）基材。PTFE基材或類似高頻基材加工性不同于常用的FR-4基材，如鉆孔時(shí)需用獨(dú)特的鉆速與進(jìn)給速度，孔金屬化過程中為確?；瘜W(xué)鍍銅層結(jié)合力需用等離子體去玷污和特殊的活化劑。

4.2 厚銅/埋銅板

汽車電子密度高功率大引起更多熱量，混合動力和全電動汽車會越來越多及需要更多先進(jìn)的電力輸送系統(tǒng)，也需要配更多的電子功能。這意味著對散熱和大電流的需求，就增加PCB導(dǎo)體銅厚度，從105 μm到更厚至400 μm，或者多層板內(nèi)埋置銅導(dǎo)線與銅塊。

對厚銅雙面PCB制作尚容易，而厚銅多層PCB制作就會碰到很大難度，其中關(guān)鍵點(diǎn)是厚銅圖形蝕刻，及厚度空隙的填充。

厚銅多層PCB的內(nèi)層線路是厚銅，則圖形轉(zhuǎn)移用光致干膜厚度也較厚，需要有超強(qiáng)的抗蝕能力。厚銅圖形蝕刻時(shí)間會長，蝕刻設(shè)備和工藝條件應(yīng)處于最佳狀態(tài)，以保證厚銅線路完好。對于外層厚銅線路制作，可以是層壓較厚銅箔與圖形電鍍厚銅層相結(jié)合，再去膜蝕刻形成，圖形電鍍的抗電鍍干膜也是較厚的。

厚銅多層PCB的內(nèi)層導(dǎo)體與絕緣基材表面之差落差較大，常規(guī)的多層板壓制難以填充滿樹脂，容易產(chǎn)生空洞，為了解決這個問題是盡量使用高樹脂含量的薄半固化片。有的多層板的內(nèi)層線路銅厚度不一樣，對于厚銅度落差大的區(qū)域與普通落差小區(qū)域可使用不同的半固化片。如圖3，局部四層內(nèi)層是銅厚35 μm，另一部分二層內(nèi)層銅厚400 μm，此厚銅用于負(fù)載200 A電流。

圖3 內(nèi)層銅厚不同的PCB

局部區(qū)域選擇性的埋置銅塊/銅排，如圖4。這是按設(shè)計(jì)需要的位置在內(nèi)層制作時(shí)預(yù)留凹坑，多層壓制時(shí)壓合。還有內(nèi)層直接埋置銅導(dǎo)線，如線徑0.5 mm的銅線。另外也有為大面積散熱就采用金屬基或金屬芯板。這類含有特定金屬板（塊）的PCB也稱為MiB（Metal in Board）。[2]

圖4 埋置銅排PCB

4.3 埋置元件

埋置元件PCB早期是應(yīng)用于手機(jī)中，目的為提高組裝密度和縮小組件尺寸，這對于其它電子設(shè)備同樣需要，因此汽車電子裝置中也用到了埋置元件PCB。

埋置元件PCB制造方法按埋置元器件類型不同而有多種方法。汽車電子用埋置元件PCB制作方法有圖5所示四種形式。[4]其中（1）是銑挖出凹槽，由再流焊或?qū)щ姼噙B接安裝貼片元件；（2）是內(nèi)層電路上由再流焊安裝薄膜型貼片元件，或者制作薄膜元件；（3）是陶瓷基板上印刷厚膜元件；（4）模塊型是由再流焊安裝貼片元件，再用樹脂封裝。模塊型埋置元件PCB可靠性較高，更適應(yīng)汽車的耐熱、耐濕、抗震動要求。

圖5 埋置元件PCB制作形式

4.4 HDI技術(shù)

汽車電子的一個重要功能是娛樂與通信，其中所用的PCB與智能手機(jī)、平板電腦同樣需要HDI板。因此，HDI板制作中微小孔的鉆孔與電鍍、積層定位等技術(shù)同樣用于汽車用PCB生產(chǎn)中，并且也有任意層互連結(jié)構(gòu)。有關(guān)HDI板技術(shù)見之很多，在此不再多述。

5 結(jié)語

在目前汽車技術(shù)變化快速，重點(diǎn)在汽車電子功能的不斷更新，所以PCB應(yīng)用會增多。以上所述汽車PCB特性肯定會不全面，需要關(guān)注新技術(shù)、新內(nèi)容。進(jìn)入汽車PCB市場不容易，保持汽車PCB市場也不容易，必須不斷進(jìn)取以適應(yīng)汽車新要求。

[1]Yash Sutariya. PCBs for Automobiles: What to Wear to the Party[J]. PCB Magazine,2014,10.

[2]William Burr and Nick Pearne. Selective MiB Thermal and Power Pathways for Automotive Applications[J]. PCB Magazine,2013,10.

[3]龔永林. 汽車電子及印制板[J]. 印制電路信息,2003,5.

[4]神谷有弘. 車載電子製品的小型高信賴化與部品內(nèi)蔵技術(shù)[J]. 電子実裝學(xué)會誌,Vol.17, 2014,10.

[5]Gavin Chen,Wallace Huang. High Reliability CCL Material in Automotive PCBs Application [G/DK].ECWC13,2014,5.