Wesentliche PCB-Design-Prinzipien für Automotive-Elektronik

Elektronische Elemente spielen eine zunehmend aktive Rolle in Fahrzeugen. Aktuell enthält ein Top-Fahrzeug über 200 elektronische Steuergeräte – einige sind Sensoren und Prozessoren im Cockpit. Der Wert elektronischer Produkte für Automotive liegt in Antriebsstrang, Karosserie und Fahrwerk – meist digitaler Leistungselektronik betreffend.

Anwendung elektronischer Systeme in Fahrzeugen zielt auf Leistungssteigerung in drei Aspekten:
a. Umweltverbesserung: Kraftstoffeinsparung, Abgasreduzierung, Kraftstofftransformation von Benzin, Erdgas, Biokraftstoff zu Hybrid- und Rein-Elektroantrieb. Elektrofahrzeuge → strategische Richtung der Autoindustrie.
b. Sicherheitserhöhung: Unfallreduktion – von Airbag, Radarmonitoring, Stereokamera, Infrarotüberwachung, automatischer Ausweichmanöver bis autonomes Fahren. Autonome Fahrzeuge ziehen derzeit meiste Aufmerksamkeit und Investitionen.
c. Komfort und Bequemlichkeit: Audio, Videodisplay, Klimaanlage, Computer, Mobilfunk, Internet, Navigation, elektronische Mauterhebung – für Komfort und Humanisierung.

Als Rückgrat elektronischer Geräte müssen PCBs (Printed Circuit Boards) für Automotive diese Anforderungen ebenfalls erfüllen.

Fundamentale Anforderungen an Automotive-PCBs

Qualitätssicherungs-Anforderung

Grundforderung langfristiger Qualitätssicherung für Hersteller/Vertreiber: solides Qualitätsmanagementsystem – international ISO 9001. Aufgrund Autoindustrie-Besonderheit gründeten drei führende nordamerikanische Autohersteller 1994 branchenspezifisches QMS: QS 9000. Anfang 21. Jahrhundert: Neue Qualitätsverwaltung von weltweiten Autoherstellern basierend auf ISO 9001 – ISO/TS 16949.

Als technische Vorschrift für globale Autoindustrie integriert ISO/TS 16949 spezielle Autoindustrie-Anforderungen, fokussiert Fehlerverhütung, Qualitätschwankungen und Abfallreduzierung in der Lieferkette automobiler Komponenten.

Erstes Zertifikat, das Automotive-PCB-Hersteller vor echtem Markteintritt benötigen: ISO/TS 16949.

Grundlegende Leistungsanforderungen

a. Hohe Zuverlässigkeit

Automotive-Zuverlässigkeit in 2 Aspekten: 1. Lebensdauer, in der Steuergeräte und Elektronik normal arbeiten. 2. Umweltbeständigkeit – Steuergeräte und Elektronik verhalten sich in Extreumgebungen exzellent.

Durchschnittliche Fahrzeuglebensdauer: 10–12 Jahre, in denen nur Komponenten/Verschleißteile getauscht werden. Elektroniksystem und PCBs müssen gleiche Dienstjahre wie Fahrzeug aufweisen.

Fahrzeuge ausgesetzt: Klima/Umwelt (extreme Kälte, Hitze, Langzeitsonne, Regen), plus Umgebungsänderungen durch Eigenwärme arbeitender Elektronik. Autoelektronik und PCBs müssen folgende Härten bewältigen: Temperatur, Feuchtigkeit, Regen, Säurerauch, Vibration, EMI (elektromagnetische Störungen), Stromstöße.

b. Leichtbau und Miniaturisierung

Gewichtsreduktion und Miniaturisierung → Kraftstoffeinsparung, resultierend aus Gewichts-/Größenreduktion jedes Bauteils und Boards. Beispiel: Automotive-ECU (Electronic Control Unit) Volumen Anfang 21. Jh.: 1.200 cm³ → seither mindestens viertelt. PCB-Leichtbau/Miniaturisierung durch Dichtesteigerung, Flächenreduktion, Dünnheit, Multilayer.

Leistungseigenschaften von Automotive-PCBs

Vielfältige Typen

Als Kombination mechanischer und elektronischer Geräte integrieren moderne Fahrzeugtechnologien traditionelle Techniken und aktuellste Wissenschaft. Verschiedene Teile nutzen elektronische Geräte mit unterschiedlichen Funktionen → PCBs mit unterschiedlichen Missionen.

Basierend auf Substratmaterial-Unterschied bei Automotive-PCBs: Anorganische keramikbasierte PCBs und organische harzbasierte PCBs. Keramik-PCBs: hohe Hitzebeständigkeit, exzellente Dimensionsstabilität – für Motorsysteme in hochthermischer Umgebung. Nachteil: schlechte Fertigbarkeit → hohe Board-Kosten. Mit neu entwickelten Harzsubstraten mit erhöhter Hitzebeständigkeit werden harzbasierte PCBs in den meisten modernen Fahrzeugen eingesetzt.

Allgemeine Regel: PCBs mit Substratmaterialien unterschiedlicher Leistung werden in verschiedenen Fahrzeugbereichen für unterschiedliche Funktionen eingesetzt. Folgende Tabelle zeigt kompatible PCB-Typen für Fahrzeuggeräte/Instrumente.

Fahrzeuggeräte	PCB-Typen
Tacho; Klimaanlage	Ein-/Doppellagen-PCB Ein-/Doppellagen-Flex-PCB
Autoradio; Monitor	Doppellagen-PCB Multilayer-PCB Flex-PCB
Automotive-Kommunikation; Wireless-Ortung; Sicherheitssystem	Multilayer-PCB HDI-PCB Flex-PCB
Motorsystem; Antriebsstrangsteuerung	Metal-Core-PCB Rigid-Flex-PCB
Fahrzeugleistungssteuerung; Navigationsgerät	Embedded-PCB

Zuverlässigkeitsanforderungen an PCBs an verschiedenen Fahrzeugbereichen

Als Transportmittel mit öffentlicher Sicherheit gehören Autos zu Produkten mit hoher Zuverlässigkeit. Neben gewöhnlichen Maß-, Erscheinungs- und Leistungsanforderungen an Mechanik/Elektronik müssen Zuverlässigkeitstests durchgeführt werden.

a. Thermisches Zyklentest (TCT - Thermal Cycling Test)

5 Level nach Fahrzeugbereichen. Untenstehende Tabelle fasst thermische Zykeltemperaturen für PCBs an diversen Fahrzeugbereichen zusammen:

Fahrzeugbereich	Level	Tieftemperatur	Hochtemperatur
Innerhalb Fahrzeugkarosserie	A	-40 °C	85 °C
Fahrgestell unten	B	-40 °C	125 °C
Über Motor	C	-40 °C	145 °C
Getriebeteile	D	-40 °C	155 °C
Innerhalb Motor	E	-40 °C	165 °C

b. Thermischer Schocktest (TST - Thermal Shock Test)

Normal, dass Automotive-PCBs in extremer Hitzeumgebung eingesetzt werden – besonders herausfordernd für Heavy-Copper-PCBs, die sowohl externe Hitze als auch Eigenwärme bewältigen müssen. → Höhere Anforderung an Hitzebeständigkeit.

Für TST: Automotive-PCBs in Lötpaste bei 260 °C oder 288 °C für 10 Sekunden, dreimal eintauchen. Qualifizierte PCBs: keine Delamination, Beulen, Kupferrisse. Heute bleifreies Löten mit höherer Löttemperatur → mehr Notwendigkeit für TST.

c. Temperatur-Feuchte-Bias-Test (THB - Temperature-Humidity Bias)

Automotive-PCBs durchlaufen zahlreiche/dynamische Umgebungen (Regen, Feuchtigkeit) → THB-Test nötig, prüft auch PCB-CAF (Conductive Anodic Filament) Mobilität. CAF tritt auf: zwischen benachbarten Vias, Vias und Leitern, benachbarten Leitern, benachbarten Lagen. Isolationswiderstand sinkt oder Kurzschlüsse entstehen. Isolationswiderstand durch Abstand Vias/Leiter/Lagen bestimmen.

Fertigungsmerkmale von Automotive-PCBs

High-Frequency-PCBs

Ähnlich Militärradar: Nahbereichsradar, Anti-Kollisions- oder Notbremsysteme nutzen PCBs für Mikrowellen-Hochfrequenzsignale. Substratmaterialien mit niedrigem Dielektrischen Verlust empfohlen – PTFE (Polytetrafluorethylen) üblich. Anders als Standard-FR-4 erfordern PTFE/ähnliche HF-Materialien natürlicherweise distincte Fertigbarkeit. Beispiel: Spezielle Bohrgeschwindigkeit bei Via-Bohrung.

Heavy-Copper-PCBs

Fahrzeuge erzeugen mehr Wärme durch hohe Elektronikdichte und Leistung. Zunehmend Hybrid-/E-Fahrzeuge → fortschrittliche Antriebsstränge gefordert → hohe Wärmeableitung und große Ströme. Erreichen durch: Kupferdicke im PCB erhöhen oder Kupferleiter/Metall in Multilayer-PCBs einbetten.

Heavy-Copper-Doppellagen-PCBs einfach herzustellen, Multilayer schwer. Kern: Heavy-Copper-Grafik-Ätzung und Gap-Füllen.

Inneres Circuit bei Heavy-Copper-Multilayer = Heavy-Copper. Grafiktransfer erfordert Heavy-Film mit extrem hoher Korrosionsbeständigkeit. Ätzzeit lang genug, Ätzgerät/technische Bedingungen optimal für exzellente Heavy-Copper-Schaltungen.

Wegen großem Unterschied zwischen innerem Leiter und Isolatorsubstratoberfläche gelingt normales Multilayer-Stack-Up keine vollständige Harzfüllung → Hohlräume. Dünnes Prepreg mit hohem Harzanteil empfohlen. Bei Multilayer-PCBs mit inneren Schaltungen unterschiedlicher Kupferdicke: unterschiedliche Prepregs für Bereiche mit großer/kleiner Unterscheidung.

Bauteil-Einbettung (Component Embedment)

Embedded-Component-PCBs zuerst in Handys für höhere Bestückungsdichte, kleinere Gesamtgröße – essenziell für andere Elektronikprodukte. Daher Embedment-Technologie in Automotive-Elektronik.

Basierend auf Embedment-Methoden viele Embedded-PCB-Fertigungsoptionen:
a. Nut fräsen, dann SMDs durch Wellenlöten oder leitfähige Paste bestücken.
b. Dünnfilm-SMDs zuerst auf innere Circuits durch Wellenlöten bestücken.
c. Dickfilmkomponenten auf Keramikbasis drucken.
d. SMDs durch Wellenlöten bestücken, dann Harz einkapseln. Dieser Embedded-PCB-Typ besser kompatibel mit Fahrzeuganforderungen: Hitzebeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Schockfestigkeit, hohe Zuverlässigkeit.

HDI-Technologie

Ähnlich Smartphones/Tablets für Entertainment/Kommunikation benötigen Fahrzeuge HDI-PCBs. Daher Microvia-Bohren, Galvanisieren, Vernetzungstechnologien in Automotive-PCBs anwenden.

Automotive-PCB-Design-Überlegungen

Induktor-Orientierung

Wenn zwei Induktoren (oder PCB-Leiter) sich nähern, entsteht Induktivität. Magnetfeld von Strom in Schaltung A treibt Strom in Schaltung B an – ähnlich Transformator-Primär/Sekundär. Wechselwirkung durch Magnetfeld → generierte Spannung bestimmt durch Mutual Induktanz (Lₘ): . Y_B = Fehlerspannungseingang Schaltung B, I_A = Strom durch Schaltung A. Lₘ empfindlich auf Leiterabstand, Induktivitätsschleifenfläche, Schleifenrichtung.

Optimale Methode für Induktor-Anordnung: Kompaktes Schaltungslayout, Kopplungsbilanz-Reduktion.

Verteilung der Mutual Induktanz korreliert mit Induktor-Ausrichtung. Richtungsänderung Schaltung B → Stromschleife parallel zu Magnetfeldlinien Schaltung A. Erreichen durch: Induktoren senkrecht anordnen → Mutual Induktanz reduzieren.

Induktor-Layout-Regeln für Automotive-PCBs:
a. Induktor-Abstand so groß wie möglich;
b. Induktor-Ausrichtung im rechten Winkel → Übersprechen minimieren.

Leiter-Kopplung

Ähnlich Induktor-Ausrichtung beeinflusst magnetische Feldkopplung: Nahe Leiter → Kopplung beeinflusst, Mutual Induktanz möglich. Hauptproblem in RF-Schaltung: Empfindliches Bauteil-Layout (Input Matching Network, Empfänger-Resonanzkanal, Sender-Antennen-Matching-Network).

Rückstrompfad so nah wie möglich an Hauptstrompfad → Strahlungsfeld minimiert → Stromschleifenfläche reduziert. Optimaler Low-Impedance-Pfad: Ground-Fläche unter Leitern → Schleifenfläche effektiv begrenzt auf Dielektrikumdicke × Leiterlänge. Wenn Ground-Fläche geteilt → Schleifenfläche vergrößert. Leiter über Trennzone → Rückstrom gezwungen über High-Impedance-Pfad → stark vergrößerte Stromschleifenfläche. Solches Layout ermöglicht Mutual Induktanz.

Fazit: Integriertes Grounding unter Leitern soweit möglich sicherstellen – integrierte Masseflächen-Grounding verbessert Schaltungsleistung.

Grounding-Durchkontaktierung (Grounding Thru-Hole)

Hauptproblem RF-Schaltung: schlechte charakteristische Impedanz von Schaltungen (Bauteile + Vernetzung). Dünne Kupferschicht = äquivalente Induktivitätsleitung. Verteilter Kapazität durch Kombination Kupferlage + benachbarte Leiter. Leiter durch Thru-Holes → Induktivitäts- und Kapazitätscharakteristika.

Thru-Hole-Kapazität hauptsächlich: Kapazität zwischen Kupfer am Thru-Hole-Pad-Rand und Bottom-Kupfer. Weiteres Element: Zylinder des Metall-Thru-Holes. Parasitäre Kapazität geringfügig – meist nur niedrige Signalkante bei High-Speed-Digitalsignalen.

Größter Thru-Hole-Effekt: parasitäre Induktivität durch Vernetzung. Da die meisten Metall-Thru-Holes gleiche Dimension wie integrierte Bauteile im RF-PCB-Design haben, Formel für Thru-Hole-Effekt-Schätzung: . L_VIA = integrierte Induktivität Thru-Holes; h = Via-Höhe (Zoll); d = Via-Durchmesser (Zoll).

Daher Schaltungslayout nach Prinzipien:
a. Induktivitätsmodell für Thru-Holes in sensiblen Bereichen;
b. Filter/Matching-Netzwerk nutzt unabhängige Thru-Holes;
c. Dünnere PCB-Kupfer reduziert Thru-Hole-Parasitärinduktivität.

Grounding und Füllung (Filling)

Grounding- oder Power-Plane definiert gemeinsame Referenzspannung, versorgt alle Systemkomponenten über Low-Impedance-Pfad. Basierend auf diesem Schema: Alle E-Felder ausbalanciert, exzellentes Shielding-Schema erzeugt.

Gleichstrom fließt immer Low-Impedance-Pfad. Gleiches für Hochfrequenzstrom – zuerst Pfad mit niedrigster Impedanz. Daher bei Standard-PCB-Leitern über Ground-Plane: Rückstrom fließt in Ground-Fläche direkt unter Leitern. Geteilte Ground-Fläche → diverse Rauschen, erhöhtes Crosstalk durch Magnetfeldkopplung oder Stromakkumulation. → Ground-Integrität soweit möglich sicherstellen, sonst treibt Rückstrom Crosstalk.

Zusätzlich: Füll-Ground (Protective Wire) für Schaltungen mit Bereichen, wo kontinuierliches Ground schwer anordenbar oder Shielding sensibler Schaltungen nötig. Grounding-Thru-Holes an Leiterenden oder entlang Leiter für erhöhten Shielding-Effekt. Protective Wires nicht mit Leitern für Rückstrompfad mischen → Crosstalk.

Wenn Kupferfläche nicht mit Ground verbunden oder nur an einem Terminal → Gültigkeit verringert. Manche Fälle: Parasitäre Kapazität mit Umgebungsimpedanzänderung oder Potentialpfad zwischen Schaltungen → schlechter Effekt. Einfach: Wenn Kupfer auf Board angeordnet, gleiche Galvanikdicke beibehalten.

Am Ende: Grounding-Fläche nahe Antenne beachten. Jeder Monopol betrachtet Grounding-Fläche, Routing, Thru-Hole als Systembalance-Bereich – nicht-ideales balanciertes Routing beeinflusst Strahlungseffizienz und Antennenrichtung. Daher Grounding-Fläche NICHT direkt unter Monopol-Antenne der Leiterplatte platzieren.

Zusammenfassend folgende Designprinzipien für Grounding und Füllung:
a. Kontinuierliche Grounding-Fläche mit niedriger Impedanz soweit möglich;
b. Beide Enden von Fülldrähten mit Ground verbinden, Thru-Hole-Array anwenden;
c. Kupferbeschichtete Leiter müssen nahe Schaltung mit Ground verbunden werden, wo Kupferbeschichtungen nicht nötig. Bei Multilayer-Boards: Grounding-Thru-Hole anordnen, wenn Signalleitungen von einer Seite zur anderen wechseln.

Fazit: Automotive-PCB-Design-Regeln zusammengefasst in folgender Tabelle:

Induktor-Layout	• Induktor-Abstand so groß wie möglich; • Induktor-Ausrichtung im rechten Winkel;
Integriertes Grounding	• Integriertes Grounding unter Leitern anordnen;
Durchkontaktierungen	• Induktivitätsmodell für Thru-Holes in sensiblen Bereichen; • Filter/Matching-Netzwerk nutzt unabhängige Thru-Holes; • Dünnere PCB-Kupfer reduziert Thru-Hole-Parasitärinduktivität;
Grounding und Füllung	• Kontinuierliche Grounding-Fläche mit niedriger Impedanz bereitstellen; • Fülldraht-Enden mit Ground verbinden, Thru-Hole-Array anwenden; • Kupferbeschichtete Leiter an Ground anbinden;

Artikel von PCBCart-Redakteurin Dora Yang, erstmals veröffentlicht in Bodo's Power System Magazine, August 2017.

Weitere interessante Artikel

• Eigenschaften von Flex-Rigid PCB für Automotive
• 5 Tipps für Automotive-Schaltungsdesign gegen EMI
• SMT-Lötzuverlässigkeitsforschung basierend auf Schaltungsmodul in Automotive-Elektronik
• 5 bewährte Wege zur Beurteilung der Zuverlässigkeit von Automotive-PCB-Herstellern
• Automotive HDI-PCB-Hersteller bewerten