Prinsip Desain PCB Utama untuk Elektronik Otomotif

Elemen elektronik telah memainkan peran yang semakin aktif dalam otomotif. Saat ini, kendaraan tingkat atas mengandung lebih dari 200 unit kontrol elektronik beberapa di antaranya adalah sensor dan prosesor yang diterapkan di kabin mobil. Dapat disimpulkan bahwa nilai produk elektronik yang melayani otomotif terletak pada sistem dinamis, body dan chassis dan mayoritas dari mereka berkaitan dengan daya digital.

Aplikasi sistem elektronik dalam otomotif bertujuan untuk meningkatkan performa kendaraan, mencakup tiga aspek:
a. Peningkatan lingkungan merujuk pada penghematan bahan bakar, pengurangan emisi buang, transformasi bahan bakar dari bensin, gas alam, bio-bahan bakar menjadi energi hybrid dan energi murni. Kendaraan listrik, jadi, telah menjadi arah strategis untuk industri otomotif.
b. Peningkatan keamanan terletak pada pengurangan kecelakaan lalu lintas, mulai dari airbag, pemantauan radar, kamera stereo, pemantauan inframerah dan pengabaian otomatis hingga pengemudi otonom. Saat ini, kendaraan otonom menarik perhatian dan investasi mayoritas.
c. Kenyamanan dan kenyamanan umumnya berakar pada audio, tampilan video, AC, komputer, komunikasi seluler, internet, navigasi dan penagihan tol elektronik untuk pertimbangan kenyamanan dan kemanusiaan.

Sebagai tulang punggung perangkat elektronik, PCB (Printed Circuit Boards) yang diterapkan untuk otomotif harus memenuhi persyaratan yang disebutkan di atas juga.

Persyaratan Dasar untuk PCB Otomotif

• Persyaratan Jaminan Kualitas

Permintaan dasar jaminan kualitas jangka panjang bagi produsen atau distributor terletak pada sistem manajemen kualitas yang baik, yaitu ISO9001 dari perspektif internasional. Karena khususnya industri otomotif, tiga produsen otomotif terkemuka dari Amerika Serikat mendirikan sistem manajemen kualitas pada tahun 1994 secara eksklusif untuk industri otomotif, yaitu QS9000. Pada awal abad ke-21, sistem manajemen kualitas baru diterbitkan oleh produsen otomotif di seluruh dunia berdasarkan peraturan ISO9001, yaitu ISO/TS16949.

Sebagai peraturan teknis untuk industri otomotif di seluruh dunia, ISO/TS16949 mengintegrasikan persyaratan khusus untuk industri otomotif dan berfokus pada pencegahan cacat, fluktuasi kualitas dan pengurangan limbah dalam rantai pasok komponen otomotif.

Oleh karena itu, sertifikat pertama yang harus dicapai oleh produsen PCB otomotif adalah ISO/TS16949 sebelum memasuki pasar otomotif secara aktual.

• Persyaratan Dasar pada Performa

a. Keandalan tinggi Keandalan otomotif terutama terdiri dari 2 aspek: satu adalah umur pakai selama unit kontrol dan komponen elektronik bekerja secara normal sementara yang lain adalah resistensi lingkungan yang memungkinkan unit kontrol otomotif dan komponen elektronik untuk berperforma dengan baik dalam lingkungan ekstrim. Umur pakai rata-rata kendaraan bermotor adalah dari 10 hingga 12 tahun selama hanya komponen atau bagian rentan yang dapat diganti. Dengan kata lain, sistem elektronik dan PCB harus memiliki umur pakai yang sama dengan kendaraan bermotor. Kendaraan cenderung dipengaruhi oleh iklim dan lingkungan dalam proses aplikasi, mulai dari dingin membeku, panas ekstrem dan sinar matahari serta hujan yang berkelanjutan. Selain itu, mereka harus menanggari perubahan lingkungan yang ditimbulkan oleh panas yang dihasilkan oleh komponen dan sistem elektronik yang bekerja. Begitu pula sistem elektronik dan PCB otomotif. Sistem elektronik otomotif harus mengatasi kesulitan berikut dalam lingkungan termasuk suhu, kelembaban, hujan, asap asam, getaran, interferensi elektromagnetik (EMI) dan lonjakan arus. b. Ringan dan miniaturisasi Ringan dan miniaturisasi bermanfaat untuk penghematan bahan bakar, yang berasal dari ringan dan miniaturisasi setiap komponen dan papan sirkuit. Misalnya, volume ECU (Electronic Control Unit) yang diterapkan untuk otomotif adalah 1.200cm³ pada awal abad ke-21 sementara itu telah menyusut setidaknya empat kali. Ringan dan miniaturisasi PCB berasal dari peningkatan kepadatan, pengurangan area, tipisness dan banyak lapisan.

Properti Performa PCB Otomotif

• Beberapa Tipe Sebagai kombinasi perangkat mekanik dan elektronik, teknologi kendaraan modern mengintegrasikan teknik tradisional dan ilmu pengetahuan teknologi terkini. Bagian berbeda bergantung pada perangkat elektronik dengan fungsi yang berbeda, yang mengarah pada aplikasi PCB dengan misi yang berbeda. Berdasarkan perbedaan dalam hal bahan substrat PCB untuk otomotif, mereka dapat diklasifikasikan menjadi PCB berbasis keramik anorganik dan PCB berbasis resin organik. Properti utama PCB berbasis keramik adalah daya tahan panas tinggi dan stabilitas dimensi yang baik, berlaku untuk sistem mesin dalam lingkungan panas tinggi. Namun, PCB berbasis keramik memiliki kemanfaatan produksi yang buruk, yang mengarah pada biaya tinggi papan sirkuit. Dengan pengembangan resin substrat baru yang daya tahan panasnya meningkat, PCB berbasis resin sebagian besar diterapkan dalam sebagian besar kendaraan modern. Satu aturan umum diikuti: PCB yang menggunakan bahan substrat dengan performa berbeda diterapkan di bagian yang berbeda dari kendaraan, bertanggung jawab untuk implementasi fungsi yang berbeda. Tabel berikut menunjukkan tipe PCB yang kompatibel dengan sebagian perangkat atau instrumen kendaraan.

Perangkat Kendaraan	Tipe PCB
Speedometer; AC	PCB satu/dua lapis PCB fleksibel satu/dua lapis
Stereo mobil; monitor	PCB dua lapis PCB multi-lapis PCB fleksibel
Perangkat komunikasi otomotif; alat lokasi nirkabel; sistem kontrol keamanan	PCB multi-lapis PCB HDI PCB fleksibel
Sistem mesin; sistem kontrol transmisi daya	PCB inti logam PCB rigid-flex
Pengontrol daya kendaraan; perangkat navigasi	PCB embedded

• Persyaratan Keandalan PCB di Bagian Berbeda Kendaraan Sebagai jenis alat transportasi yang berkaitan dengan keamanan publik, otomotif termasuk dalam rentang produk dengan keandalan tinggi. Selain dimensi, penampilan dan persyaratan performa pada mekanik dan elektronik, serangkaian uji tentang keandalan harus diimplementasi pada mereka. a. Uji Siklus Termal (TCT) 5 level ditetapkan sesuai dengan bagian yang berbeda dari kendaraan. Tabel di bawah ini merangkum suhu siklus termal untuk PCB pada berbagai bagian kendaraan:

Bagian Kendaraan	Level	Suhu Rendah	Suhu Tinggi
Dalam body kendaraan	A	-40°C	85°C
Di bawah chassis kendaraan	B	-40°C	125°C
Di atas mesin	C	-40°C	145°C
Bagian transmisi	D	-40°C	155°C
Dalam mesin	E	-40°C	165°C

b. Uji Schok Termal (TST) Cukup normal bahwa PCB otomotif diterapkan dalam lingkungan panas ekstrim, yang sangat menantang untuk PCB tembaga tebal karena mereka harus menanggulangi panas eksternal dan panas yang timbul dari tubuh mereka sendiri. Jadi, persyaratan yang lebih tinggi diperlukan untuk daya tahan panas PCB otomotif. Untuk mengikuti uji schok termal, PCB otomotif harus direndam dalam pasta solder dengan suhu tinggi 260°C atau 288°C selama 10 detik tiga kali, setelah itu PCB yang memenuhi syarat tidak memiliki masalah seperti lamination, bumps atau retakan tembaga. Saat ini, soldering bebas timah telah digunakan dalam assembly PCB dengan suhu soldering yang relatif tinggi, yang menambahkan lebih banyak kebutuhan untuk uji schok termal. c. Uji Bias Suhu-Kelembaban (THB) PCB otomotif harus melalui lingkungan yang banyak dan dinamis termasuk hari hujan dan lingkungan lembap, yang membuat uji THB perlu dilakukan yang juga mampu memeriksa mobilitas CAF (Conductive Anodic Filament) PCB. CAF hanya terjadi dalam situasi berikut: antara via yang berdekatan pada papan sirkuit, via yang berdekatan dan kabel, kabel yang berdekatan dan lapisan yang berdekatan. Insulatif dalam situasi tersebut menurun atau bahkan mengarah pada shortcut. Resistansi isolasi harus ditentukan oleh jarak antara via, kabel dan lapisan.

Fitur Manufaktur PCB Otomotif

• PCB Frekuensi Tinggi Mirip dengan radar militer, sebagai radar dekat, sistem anti-tabrakan atau fren darurat prediktif otomotif bergantung pada PCB untuk mentransmisikan sinyal mikrogelombang frekuensi tinggi. Jadi, bahan substrat dengan kehilangan dielektrik rendah disarankan, dengan PTFE (polytetrafluoroethylene) biasanya diterapkan. Berbeda dengan FR-4 biasa sebagai bahan substrat, PTFE atau bahan frekuensi tinggi yang sama memerlukan kemanfaatan produksi yang berbeda secara alami. Misalnya, kecepatan bor khusus diperlukan dalam proses pemboran via. • PCB Tembaga Tebal Kendaraan cenderung menghasilkan lebih banyak panas karena kepadatan elektronik dan daya yang tinggi. Seiring dengan bertambahnya kendaraan hybrid dan listrik, sistem transmisi daya yang canggih diperlukan, yang mendorong permintaan tinggi untuk kemampuan pendinginan dan arus yang lebih besar. Untuk mencapai itu, ketebalan tembaga di PCB harus ditingkatkan atau kawat tembaga dan logam disisipkan dalam PCB multi-lapis. Mudah untuk memproduksi PCB double-layer tembaga tebal sementara sulit untuk memproduksi PCB multi-lapis tembaga tebal. Titik kunci terletak pada etching grafis tembaga tebal dan pengisian celah tembaga tebal. Sirkuit dalam PCB multi-lapis tembaga tebal adalah tembaga tebal. Kemudian, transfer grafis memerlukan film tebal dengan daya tahan korosi yang sangat tinggi. Waktu etching harus cukup lama dan perangkat etching serta kondisi teknis harus tetap dalam keadaan optimal untuk memastikan sirkuit tembaga tebal yang unggul. Karena ada perbedaan besar antara permukaan substrat insulator dan konduktor internal dan stacking multi-lapis biasa gagal membuat resin terisi sepenuhnya, menyebabkan terjadinya rongga, jadi prepreg tipis disarankan yang mengandung jumlah resin yang tinggi. Beberapa PCB multi-lapis memiliki sirkuit internal dengan ketebalan tembaga yang berbeda sehingga prepreg yang berbeda dapat digunakan untuk area dengan perbedaan besar dan perbedaan kecil. • Embedment Komponen PCB komponen embedded pertama kali diterapkan di ponsel untuk meningkatkan kepadatan assembly dan mengurangi ukuran keseluruhan produk, yang sangat penting untuk produk elektronik lainnya juga. Itulah mengapa teknologi embedment digunakan dalam perangkat elektronik otomotif. Berdasarkan metode embedment komponen, ada banyak opsi manufaktur PCB embedded:
a. Alur di-geledah terlebih dahulu kemudian SMDs diassembly melalui wave soldering atau pasta konduktif.
b. SMD tipis-film pertama diassembly pada sirkuit dalam melalui wave soldering.
c. Komponen tebal-film dicetak pada basis keramik.
d. SMD diassembly melalui wave soldering dan kemudian resin digunakan untuk pengemasan. Jenis PCB embedded ini lebih kompatibel dengan persyaratan kendaraan seperti daya tahan panas, daya tahan kelembaban dan anti-getaran, dengan keandalan tinggi. • Teknologi HDI Mirip dengan smartphone atau tablet komputer dalam hal fungsi hiburan dan komunikasi, kendaraan juga memanggil PCB HDI. Akibatnya, teknologi bor microvia, elektroplating dan interkoneksi harus diterapkan dalam PCB otomotif.

Pertimbangan Desain PCB Otomotif

• Orientasi Induktor Ketika dua induktor (atau bahkan dua kawat PCB) mendekat satu sama lain, induktansi akan dihasilkan. Medan magnet yang diciptakan oleh arus dalam satu rangkaian (Rangkaian A) kemudian akan menyebabkan drive arus dalam rangkaian lain (Rangkaian B). Proses ini mirip dengan efek saling antara kawat primer dan sekunder transformator. Ketika dua arus berinteraksi satu sama lain melalui medan magnet, tegangan yang dihasilkan ditentukan oleh induktansi saling (L_M): . Dalam rumus ini, Y_B adalah tegangan error yang diinput ke Rangkaian B sementara L_A adalah arus melalui Rangkaian A. L_M sangat sensitif terhadap jarak rangkaian, area loop induktansi dan arah loop. Oleh karena itu, metode optimal untuk menyusun semua induktor dalam rangkaian dapat dicapai melalui tata letak rangkaian yang kompak dan pengurangan keseimbangan coupling. Distribusi induktansi saling terkait dengan perataan induktor. Oleh karena itu, modifikasi arah Rangkaian B membuat loop arusnya sejajar dengan garis medan magnet Rangkaian A. Untuk mencapai itu, induktor harus disusun secara vertikal, yang bermanfaat untuk pengurangan induktansi saling. Aturan tata letak induktor untuk PCB otomotif:
a. Spasi induktor harus sem besar mungkin;
b. Perataan induktor harus diatur sebagai sudut siku-siku sehingga crosstalk di antaranya akan diminimalkan. • Lead coupling Mirip dengan perataan induktor yang mempengaruhi coupling medan magnet, jika kawat dekat satu sama lain, coupling juga akan terpengaruh dan induktansi saling mungkin dihasilkan. Masalah utama dalam sirkuit RF terletak pada tata letak komponen sensitif seperti jaringan pencocokan input, saluran resonansi penerima dan jaringan pencocokan antena pengemudi. Jalur arus kembali harus se dekat mungkin dengan jalur arus utama dengan bidang radiasi diminimalkan, yang bermanfaat untuk pengurangan area loop arus. Jalur impedansi rendah optimal biasanya adalah area ground di bawah kawat, yaitu, area loop efektif dibatasi di area dengan ketebalan dielectric kali panjang kawat. Namun, jika area ground terpisah, area loop akan diperbesar. Untuk kawat yang melintasi area terpisah, arus kembali akan dipaksa untuk melintasi jalur impedansi tinggi, yang sangat memperbesar area loop arus. Tata letak jenis ini juga membuat rangkaian rentan terhadap induktansi saling. Singkat kata, ground terintegrasi harus dijamin di bawah kawat sebanyak mungkin karena ground area terintegrasi bermanfaat untuk peningkatan performa rangkaian. • Grounding thru-hole Masalah utama yang harus diatasi oleh sirkuit RF biasanya terletak pada impedansi karakteristik yang buruk dari rangkaian, termasuk komponen elektronik dan interkoneksi. Lapisan tembaga dengan ketebalan rendah setara dengan kawat induktansi. Lebih jauh, kapasitansi terdistribusi dapat dibentuk oleh kombinasi antara lapisan tembaga dan kawat yang berdekatan. Saat kawat melewati thru holes, karakteristik induktansi dan kapasitansi juga akan ditampilkan. Kapasitansi thru-hole terutama berasal dari kapasitansi antara tembaga di tepi pad thru-hole dan tembaga bawah. Elemen lain yang mempengaruhi kapasitansi thru-hole adalah silinder logam thru holes. Kapasitansi parasit berpengaruh sedikit karena biasanya hanya menyebabkan tepi sinyal rendah dari sinyal digital kecepatan tinggi. Efek terbesar dari thru holes adalah induktansi parasit yang sesuai yang timbul dari interkoneksi. Karena mayoritas logam thru holes memiliki dimensi yang sama dengan komponen terintegrasi dalam desain PCB RF, rumus ini dapat digunakan untuk mengestimasi efek thru hole: . Dalam rumus ini, L_VIA adalah induktansi terintegrasi thru holes; h merujuk pada tinggi via dengan inci sebagai satuan; d merujuk pada diameter via dengan inci sebagai satuan. Akibatnya, tata letak rangkaian harus mematuhi prinsip-prinsip berikut:
a. Modul induktansi harus ditetapkan untuk thru holes di area sensitif;
b. Filter atau jaringan pencocokan bergantung pada thru holes independen;
c. PCB tembaga lebih tipis akan mengurangi efek induktansi parasit thru hole. • Grounding dan filling Grounding atau lapisan daya mendefinisikan referensi tegangan publik yang menyediakan daya ke semua komponen dalam sistem melalui jalur impedansi rendah. Berdasarkan skema ini, semua medan listrik dapat diseimbangkan dengan skema pelindung yang baik dihasilkan. Arus DC selalu mengalir melalui jalur impedansi rendah. Sebagian besar, arus frekuensi tinggi juga adalah jalur yang mengalir melalui impedansi terendah pada menit pertama. Oleh karena itu, untuk standar kabel PCB di atas lapisan ground, arus kembali mencoba mengalir ke area ground tepat di bawah kawat. Kemudian, area ground yang terpecah menimbulkan berbagai jenis kebisingan, yang lebih meningkatkan crosstalk melalui coupling medan magnet atau akumulasi arus. Akibatnya, integritas ground harus dijamin se sepenuhnya mungkin, atau arus kembali akan mengarahkan crosstalk. Selain itu, filling ground, juga disebut kabel pelindung, biasanya diterapkan untuk desain rangkaian yang berisi area di mana ground yang berkelanjutan sulit diatur atau yang memerlukan pelindung rangkaian sensitif. Grounding thru holes dapat ditempatkan di ujung kabel atau di sepanjang kabel untuk meningkatkan efek pelindung. Kabel pelindung tidak boleh dicampur dengan kabel yang dirancang untuk menyediakan jalur arus kembali, yang akan menyebabkan crosstalk. Ketika area tembaga tidak terhubung ke ground atau terhubung ke ground di satu terminal, validitasnya akan menurun. Dalam beberapa kasus, kapasitansi parasit akan dihasilkan dengan impedansi sekitar berubah atau jalur potensial terbentuk di antara rangkaian, yang, oleh karena itu, mengarah pada efek buruk. Singkat kata, jika tembaga harus diatur pada papan, ketebalan elektroplating yang sama harus dipertahankan. Pada akhirnya, area ground dekat antena harus dipertimbangkan. Setiap monopole menganggap area ground, routing dan thru hole sebagai bagian dari keseimbangan sistem dan routing seimbang yang tidak ideal akan mempengaruhi efisiensi radiasi dan arah antena. Oleh karena itu, area ground tidak boleh ditempatkan langsung di bawah antena monopole dari papan sirkuit. Untuk meringkas, prinsip desain berikut harus dipatuhi dalam hal grounding dan filling:
a. Area ground yang berkelanjutan dengan impedansi rendah harus disediakan se sepenuhnya mungkin;
b. Dua ujung kabel filling harus dihubungkan ke ground dengan array thru hole diterapkan;
c. Kabel berlapis tembaga harus dihubungkan ke ground dekat rangkaian di mana berlapis tembaga tidak diperlukan. Ketika datang pada papan sirkuit dengan banyak lapisan, grounding thru hole harus diatur saat garis sinyal dipindahkan dari satu sisi ke sisi lain. Kesimpulannya, aturan desain PCB otomotif dapat diringkas ke dalam tabel berikut:

Tata letak Induktor	• Spasi induktor harus sem besar mungkin; • Perataan induktor harus diatur sebagai sudut siku-siku;
Grounding terintegrasi	• Grounding terintegrasi harus diatur di bawah kawat;
Lubang	• Modul induktansi harus ditetapkan untuk thru holes di area sensitif; • Filter atau jaringan pencocokan bergantung pada thru holes independen; • Tembaga PCB lebih tipis mengurangi efek induktansi parasit thru hole;
Grounding dan filling	• Area ground yang berkelanjutan dengan impedansi rendah harus disediakan; • Hubungkan ujung kabel filling ke ground dengan array thru hole diterapkan; • Kabel berlapis tembaga harus dihubungkan ke ground;

Tulisan ditulis oleh editor PCBCart Dora Yang, pertama diterbitkan pada edisi Agustus 2017 Majalah Sistem Daya Bodo.

Anda mungkin juga tertarik pada artikel berikut:
• Properti PCB Flex-Rigid yang Digunakan untuk Otomotif
• 5 Tips Desain Sirkuit Otomotif untuk Mengalahkan EMI
• Penelitian Keandalan Penyolderan SMT Berdasarkan Modul Sirkuit dalam Industri Elektronik Otomotif
• 5 Cara Terbukti untuk Menilai Keandalan Produsen PCB Otomotif
• Cara Mengevaluasi Produsen PCB HDI Otomotif