1、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。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 的小意圖。交通丄貝互聯交逢LKf皿化交通1：具動力系燥押電氣化圖1：汽午電子的三大發展趨勢圖2：互聯移動性示例（來源:Bosch）圖3：自動移動性示例（來源：B

2、osch）圖4：動力傳動和電氣化移動性示例（來源：Bosch）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 一輛由兒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

3、模式。圖6顯示了汽車電子所要求的PCB特性。內部軻層學啰卜層的銅層微通孔可能式：1. 鍍通孔或內銅層裂紋2. 今陶層裂紋3. 微導通孑圍紋4. 半固化片裂紋5. 裂紋6. PCB表面電化學遷移鍍通孔 o微通孔OPCBI碩員荷PCB的組裝員荷* .-溫度循環及貯存-族焊彎曲選擇焊震動壓合技術濕度-荷瞬- 圖5 PCB的常見環境負荷和組裝負倚及其導致的可能失效模式PC瞞性圖6： PCB關鍵特性示慮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

4、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。塑彫卜題舉開如卜殼的更長運行時間及長期開機模式 的堵加了 PCB內部及表面的溫度負荷及PCR上的結短同明更長的溫度/J度/僞壓(THB)影晌更熱的應用及由丁更高電流導 致PCB熱點的發展趨勢塔加了 81塊pcb或熱點處的溫度負及溫度周期負荷(160175%：)由過去的8000謝上升到了現在的130000謝圖7：増加了環境負荷要求采用汽千電子專用材料及理念,必須徹底r解原因和相互之間的影響功能需求也是多種多

5、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兒百安培的電流, 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，才能夠使用有兒千個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。在小體積的容器中有更高運 行電壓的發展稔勢電壓帥到800V （電迪）鹿離降低.小于lOOgm （對于信號）有機B板上的電力電子高速應用（車輛計算機.雷 達）的發展趨勢器件間距小（約0.4mm）.I/O

6、更多（約3000）的發展必要層數埴加（約20層）.導坡/間距（約70nm）.導通孔直徑減小（直徑為80啊預的誡導通九）増加了基板上的銅（如總線條）或電源線周圍的同部各向異性劑熱可悝阻抗及離埋林f斗達到lOGblt/s(現妙lOOMbM/s-1 Gbll/s) |J77GHz圖8：新型PCB （如電力PCB及髙集成邏輯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

7、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表而的失效模式即使沒有結露，如果沒有仔細選擇材料，髙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

8、、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。PCB上的局部濕度負荷:PCB上設計姜素的負裁能力:符合H9202標準的3坯試樣1350306090120150Time (hour)61112C /SS C, 90-100% r.h.)0 9 8 71圖11：通過測塑鍛苛刻條件下封閉外殼內材料和設il的SIR,對材料和設訃進行鑒定在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

9、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。導電陽極絲、纖維空洞血負荷和鹿導致樹脂開裂圖12： PCB內部的失效模式,因為現場負荷増加（尤其是在亞洲市場）,越來越需契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

10、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。pCB內局部濕度負荷：第零周第一周6Z)澤十家嚶眞第二周第三周10.32 皿)179 (6645752es95S4J3use (啊 it n im*.脅)(46*X)3&C287 kOrrtM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員荷能力高速要

11、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?？紤]到PCB基材（Dk、Df）的電氣待性，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。可修改或調整消費類產品 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150C