Princípios-Chave de Design de PCB para Eletrônica Automotiva

Elementos eletrônicos têm desempenhado um papel cada vez mais ativo em automotivos. Atualmente, um veículo de alto nível contém mais de 200 unidades de controle eletrônico, algumas delas são sensores e processadores aplicados no cockpit do carro. Pode ser concluído que o valor de produtos eletrônicos servindo para automotivos reside em sistema dinâmico, carroceria e chassi, e a maioria deles está preocupada com power digital.

Aplicação de sistemas eletrônicos em automotivos visa aumentar desempenho do automóvel, cobrindo três aspectos:
a. Melhoria ambiental refere-se a economia de combustível, redução de gases de escape, transformação de combustível de gasolina, gás natural, biocombustível para potência híbrida e potência pura. Veículos elétricos, assim, tornaram-se uma direção estratégica para a indústria automotiva.
b. Aumento de segurança reside em redução de acidentes de trânsito, variando de airbag, monitoramento por radar, câmera estéreo, monitoramento infravermelho e evasão automática a direção autônoma. Atualmente, veículos autônomos estão atraindo a maior parte da atenção e investimento.
c. Conveniência e conforto são geralmente enraizados em áudio, display de vídeo, ar-condicionado, computador, comunicação móvel, internet, navegação e cobrança eletrônica de pedágio para considerações de conveniência e humanização.

Como espinha dorsal de dispositivos eletrônicos, PCBs (Placas de Circuito Impresso) aplicados para automotivos têm que atender aos requisitos listados acima também.

Requisitos Fundamentais para PCBs Automotivos

• Requisito de Garantia de Qualidade

Uma demanda básica de garantia de qualidade de longo prazo para fabricantes ou distribuidores reside em um sistema de gestão de qualidade sólido, ou seja, ISO9001, de perspectiva internacional. Devido à particularidade da indústria automotiva, três principais fabricantes automotivos da América do Norte co-estabeleceram um sistema de gestão de qualidade em 1994 exclusivamente para indústria automotiva, que é QS9000. No início do século 21, um novo sistema de administração de qualidade foi publicado por fabricantes automotivos mundiais baseado em regulamentos da ISO9001, que é ISO/TS16949.

Como regulamentos técnicos para indústria automotiva ao redor do globo, ISO/TS16949 integra requisito especial para indústria automotiva e foca em prevenção de defeitos, flutuação de qualidade e redução de desperdício na cadeia de suprimentos de componentes automotivos.

Portanto, o primeiro certificado que fabricantes de PCB automotivos têm que alcançar é ISO/TS16949 antes de sua entrada genuína no mercado automotivo.

• Requisito Básico de Desempenho

a. Alta Confiabilidade

Confiabilidade automotiva vem principalmente em 2 aspectos: um é vida útil durante a qual unidades de controle e componentes eletrônicos funcionam normalmente, enquanto o outro é resistência ambiental, que permite que unidades de controle automotivas e componentes eletrônicos se comportem excelentemente em ambiente extremo.

A vida útil média de automotivos é de 10 a 12 anos, durante os quais apenas componentes ou partes vulneráveis podem ser substituídos. Em outras palavras, sistema eletrônico e PCBs têm que apresentar tal ano de serviço como o de automotivos.

Veículos tendem a ser afetados por clima e ambiente no processo de aplicação, variando de frio congelante, calor extremo e brilho de longo prazo e chuva. Além disso, eles têm que sofrer de mudanças ambientais lideradas por calor gerado devido a componentes e sistemas eletrônicos funcionando. O mesmo para sistemas eletrônicos automotivos e PCBs. Sistemas eletrônicos automotivos têm que derrotar a seguinte severidade no ambiente, incluindo temperatura, umidade, chuva, fumaça ácida, vibração, interferência eletromagnética (EMI) e surto de corrente.

b. Peso Leve e Miniaturização

Peso leve e miniaturização são benéficos para economia de combustível, o que resulta de peso leve e miniaturização de cada componente e placa de circuito. Por exemplo, o volume de ECU (Electronic Control Unit) aplicado em automotivos era 1.200cm³ no início do século 21, enquanto isso foi encolhido por pelo menos quatro vezes. Peso leve e miniaturização de PCBs derivam de melhoria de densidade, redução de área, finura e múltiplas camadas.

Propriedades de Desempenho de PCBs Automotivos

• Múltiplos Tipos

Como combinações de dispositivos mecânicos e eletrônicos, tecnologias modernas de veículos integram técnicas tradicionais e tecnologias científicas atualizadas. Diferentes partes dependem de dispositivos eletrônicos com diferentes funções, levando a aplicações de PCBs com diferentes missões.

Baseado na distinção em termos de material de substrato de PCBs para automotivos, eles podem ser classificados em PCBs baseados em cerâmica inorgânica e PCBs baseados em resina orgânica. A principal propriedade de PCBs baseados em cerâmica é alta resistência ao calor e excelente estabilidade dimensional, aplicável para sistema de motor em ambiente altamente térmico. No entanto, PCBs baseados em cerâmica apresentam má fabricabilidade, levando a um alto custo de placas de circuito. Com o desenvolvimento de substrato de resina recém-desenvolvido com resistência ao calor aumentada, PCBs baseados em resina são principalmente aplicados na maioria dos veículos modernos.

Uma regra geral é seguida: PCBs usando materiais de substrato com diferentes performances são aplicados em diferentes seções de um veículo, responsáveis por implementação de diferentes funções. A tabela a seguir demonstra tipo de PCB compatível com parte de dispositivos ou instrumentos do veículo.

Dispositivos do Veículo	Tipos de PCB
Velocímetro; ar condicionado	PCB monocamada/dupla camada PCB flexível monocamada/dupla camada
Som automotivo; monitor	PCB dupla camada PCB multicamada PCB flexível
Dispositivos de comunicação automotiva; aparelhos de localização sem fio; sistema de controle de segurança	PCB multicamada PCB HDI PCB flexível
Sistema de motor; sistema de controle de transmissão de potência	PCB metal-core PCB rígido-flexível
Controlador de potência do veículo; dispositivo de navegação	PCB embarcado

• Requisito de Confiabilidade em PCBs em Diferentes Seções do Veículo

Como um tipo de ferramenta de transporte concernente a segurança pública, automotivos pertencem a uma faixa de produtos com alta confiabilidade. Além de dimensões, aparência e requisitos de desempenho ordinários em mecânica e eletrônica, uma série de testes concernentes a confiabilidade têm que ser implementados neles.

a. Teste de Ciclagem Térmica (TCT)

5 níveis são definidos de acordo com diferentes seções de um veículo. A tabela abaixo resume temperatura de ciclagem térmica para PCBs em diversas seções do veículo:

Seção do Veículo	Nível	Temperatura Baixa	Temperatura Alta
Dentro da carroceria do veículo	A	-40°C	85°C
Chassi do veículo abaixo	B	-40°C	125°C
Acima do motor	C	-40°C	145°C
Partes de transmissão	D	-40°C	155°C
Dentro do motor	E	-40°C	165°C

b. Teste de Choque Térmico (TST)

É bastante normal que PCBs automotivos sejam aplicados em ambiente de calor extremo, o que é especialmente desafiador para PCBs de cobre pesado, já que eles têm que sofrer tanto do calor externo quanto do calor resultante de seus próprios corpos. Assim, requisito mais alto é exigido para resistência ao calor de PCBs automotivos.

Para participar do teste de choque térmico, PCBs automotivos têm que ser imersos em pasta de solda com alta temperatura de 260°C ou 288°C por 10 segundos, três vezes, após o qual PCBs qualificados apresentam nenhum problema, como laminação, protuberâncias ou rachadura de cobre. Atualmente, solda sem chumbo tem sido usada em montagem de PCB com temperatura de soldagem relativamente alta, o que adiciona mais necessidade ao teste de choque térmico.

c. Teste de Viés Temperatura-Umidade (THB)

PCBs automotivos têm que passar por numerosos e dinâmicos arredores, incluindo dias chuvosos e ambiente úmido, o que torna necessário realizar teste THB, que também é capaz de inspecionar mobilidade CAF (Conductive Anodic Filament) de PCB. CAF ocorre apenas nas seguintes situações: entre vias adjacentes na placa de circuito, vias adjacentes e fios, fios adjacentes e camadas adjacentes. Isolatividade naquelas situações diminui ou até leva a curtos-circuitos. Resistência de isolamento deve ser determinada pela distância entre vias, fios e camadas.

Características de Fabricação de PCBs Automotivos

• PCBs de Alta Frequência

Similar com radar militar, como radar de campo próximo, sistema automotivo de anti-colisão ou frenagem de emergência preditiva depende de PCBs para transmitir sinais de micro-ondas de alta frequência. Assim, materiais de substrato com baixa perda dielétrica são sugeridos, com PTFE (politetrafluoretileno) normalmente aplicado. Diferente de FR-4 comum como materiais de substrato, PTFE ou materiais similares de alta frequência requerem fabricabilidade distinta naturalmente. Por exemplo, velocidade de perfuração especial é requerida no processo de perfuração de via.

• PCBs de Cobre Pesado

Veículos tendem a gerar mais calor devido à sua alta densidade eletrônica e potência. Com o número de veículos de potência híbrida e totalmente elétricos subindo, sistemas de transmissão de potência avançados são demandados, o que impulsiona altas demandas para capacidade de dissipação de calor e corrente maior. Para alcançar isso, a espessura de cobre em PCB deve ser aumentada ou condutores de cobre e metal são incorporados em PCBs multicamadas.

É fácil fabricar PCBs de cobre pesado de dupla camada, enquanto é bastante difícil fabricar PCBs de cobre pesado multicamadas. O ponto-chave reside em gravação de gráficos de cobre pesado e preenchimento de gap de cobre pesado.

Circuito interno de PCBs de cobre pesado multicamadas é cobre pesado. Posteriormente, transferência de gráficos requer filme pesado com resistência à corrosão extremamente alta. Tempo de gravação deve ser longo o suficiente e dispositivo e condição técnica de gravação devem permanecer em estado ideal, a fim de garantir circuitos excelentes de cobre pesado.

Como há uma enorme diferença entre condutor interno e superfície de material de substrato isolante e stackup comum de PCB multicamadas falha em fazer resina ser totalmente preenchida, causando geração de cavidades, prepreg fino é então sugerido contendo alta quantidade de resina. Alguns PCBs multicamadas contêm circuito interno com diferentes espessuras de cobre, de modo que diferentes prepregs podem ser usados para áreas com grande distinção e pequena distinção.

• Incorporação de Componente

PCBs de componente incorporado foram primeiro aplicados em celulares para aumentar densidade de montagem e reduzir tamanho geral do produto, que é essencialmente importante para outros produtos eletrônicos também. É por isso que tecnologia de incorporação é usada em dispositivos eletrônicos automotivos.

Baseado em métodos de incorporação de componente, há muitas opções de fabricação de PCB incorporado:
a. Sulco é fresado primeiro, então SMDs são montados através de solda de onda ou pasta condutiva.
b. SMDs de filme fino são primeiro montados em circuitos internos através de solda de onda.
c. Componentes de filme grosso são impressos em base cerâmica.
d. SMDs são montados através de solda de onda e então resina é usada para encapsulamento. Esse tipo de PCBs incorporados é mais compatível com demandas de veículos, como resistência ao calor, resistência à umidade e anti-choque, com alta confiabilidade.

• Tecnologia HDI

Similar com smartphones ou tablets em termos de funções de entretenimento e comunicação, veículos requerem PCBs HDI também. Como resultado, tecnologias de perfuração de microvia, galvanização e interconexão têm que ser aplicadas em PCBs automotivos.

Considerações de Design de PCB Automotivo

• Orientações de Indutor

Quando dois indutores (ou até mesmo dois fios de PCB) chegam perto um do outro, indutância será gerada. Campo magnético criado por corrente em um circuito (Circuito A) depois causará acionamento de corrente no outro circuito (Circuito B). Esse processo é similar com efeito mútuo entre colares primário e secundário de transformador. Quando duas correntes interagem uma com a outra através de campo magnético, tensão gerada é determinada por indutância mútua (Lₘ): . Nesta fórmula, Y_B é a tensão de erro de entrada no Circuito B, enquanto L_A é a corrente através do Circuito A. Lₘ é bastante sensível a espaçamento de circuito, área de loop de indutância e direção do loop.

Portanto, um método ideal para arranjar todos os indutores em um circuito pode ser alcançado através de layout de circuito compacto e redução de balanceamento de acoplamento.

Distribuição de indutância mútua está relacionada com alinhamento de indutância. Portanto, modificação de direção do Circuito B faz seu loop de corrente paralelo às linhas magnéticas do Circuito A. Para alcançar isso, indutores devem ser verticalmente arranjados, o que é benéfico para redução de indutância mútua.

Regras de layout de indutor para PCBs automotivos:
a. Espaço de indutor deve ser o maior possível;
b. Alinhamento de indutor deve ser definido como ângulos retos, de modo que crosstalk entre eles será minimizado.

• Acoplamento de Condutores

Similar com alinhamento de indutor afetando acoplamento de campo magnético, se condutores estiverem próximos uns dos outros, acoplamento será afetado também e indutância mútua será possivelmente gerada. A questão principal em circuito RF reside em layout de componente sensível, como rede de correspondência de entrada, canal ressonante do receptor e rede de correspondência de antena do emissor.

Caminho de corrente de retorno deve ser o mais próximo possível do caminho de corrente principal, com campo de radiação minimizado, o que é benéfico para redução de área de loop de corrente. Caminho de baixa impedância ideal é normalmente área de ground sob condutores, ou seja, área de loop é efetivamente limitada na área com espessura dielétrica vezes comprimento do condutor. Se área de ground for dividida, no entanto, área de loop será ampliada. Para condutores atravessando área dividida, corrente de retorno será forçada a atravessar caminho de alta impedância, o que aumenta grandemente área de loop de corrente. Esse tipo de layout também torna circuito acessível a indutância mútua.

Em uma palavra, ground integrado deve ser assegurado sob condutores o máximo possível, já que área de ground de massa integrada é benéfica para melhoria de desempenho de circuito.

• Furo Passante de Ground

A principal questão que circuito RF tem que resolver geralmente reside em impedância característica ruim de circuitos, incluindo componentes eletrônicos e interconexão. Camada de cobre com baixa espessura é equivalente a fio de indutância. Além disso, capacitância distribuída pode ser formada pela combinação entre camada de cobre e condutores adjacentes. À medida que condutores passam por furos passantes, características de indutância e capacitância serão exibidas também.

Capacitância de furo passante principalmente deriva de capacitância entre cobre na borda do pad de furo passante e cobre do fundo. Outro elemento afetando capacitância de furo passante é cilindro de furos passantes metálicos. Capacitância parasita afeta pouco, já que geralmente apenas leva a borda de sinal baixa de sinais digitais de alta velocidade.

O maior efeito de furos passantes é a indutância parasita correspondente despertada por interconexão. Como a maioria dos furos passantes metálicos apresenta a mesma dimensão que a de componentes integrados em design de PCB RF, esta fórmula pode ser usada para estimar o efeito de furo passante: . Nesta fórmula, L_VIA é a indutância integrada de furos passantes; h refere-se à altura da via com polegada como unidade; d refere-se ao diâmetro da via com polegada como unidade.

Como resultado, layout de circuito deve conformar aos seguintes princípios:
a. Módulo de indutância deve ser estabelecido para furos passantes em área sensível;
b. Filtro ou rede de correspondência depende de furos passantes independentes;
c. Cobre de PCB mais fino reduzirá o efeito de indutância parasita de furo passante.

• Ground e Preenchimento

Plano de ground ou power define uma tensão de referência pública que fornece potência a todos os componentes no sistema através de caminho de baixa impedância. Baseado nesse esquema, todos os campos elétricos podem ser balanceados com esquema de blindagem excelente gerado.

Corrente contínua sempre flui através de caminho de baixa impedância. Similarmente, corrente de alta frequência também é um caminho fluindo através da menor impedância no primeiro minuto. Portanto, para condutores de PCB padrão acima do plano de ground, corrente de retorno tenta fluir para a área de ground corretamente sob os condutores. Posteriormente, área de ground dividida desperta todos os tipos de ruídos, que aumentam ainda mais crosstalk através de acoplamento de campo magnético ou acúmulo de corrente. Como resultado, integridade de ground deve ser assegurada o máximo possível, ou corrente de retorno acionará crosstalk.

Além disso, preenchimento de ground, também chamado fio de proteção, é geralmente aplicado para design de circuitos contendo áreas onde ground contínuo é difícil de ser arranjado ou que requer blindagem de circuitos sensíveis. Furos passantes de ground podem ser posicionados em terminais de fios ou ao longo dos fios para aumentar efeito de blindagem. Fios de proteção não podem ser misturados com condutores projetados para fornecer caminho de corrente de retorno, o que trará crosstalk.

Quando área de cobre não está conectada a ground ou conectada a ground em um terminal, sua validade será diminuída. Em alguns casos, capacitância parasita será gerada com impedância ambiente mudada ou caminho potencial formado entre circuitos, o que, assim, leva a mau efeito. Simplificando, se cobre tem que ser arranjado na placa, a mesma espessura de galvanização deve ser mantida.

No final, área de ground perto de antena tem que ser levada em consideração. Qualquer monopolo considera área de ground, roteamento e furo passante como uma seção de equilíbrio de sistema e roteamento não-ideal balanceado afetará eficiência de radiação e direção de antena. Portanto, área de ground não deve ser diretamente colocada logo sob antena monopolo de uma placa de circuito.

Para resumir, os seguintes princípios de design devem ser conformados em termos de ground e preenchimento:
a. Área de ground contínua com baixa impedância deve ser fornecida o máximo possível;
b. Dois terminais de fios de preenchimento devem ser conectados ao ground com array de furo passante aplicado;
c. Linhas revestidas de cobre têm que ser conectadas ao ground perto do circuito ao redor do qual revestimentos de cobre não são necessários. Quando se trata de placas de circuito com múltiplas camadas, um furo passante de ground deve ser arranjado à medida que linhas de sinal são transferidas de um lado para o outro.

Em conclusão, regras de design de PCB automotivo podem ser resumidas na seguinte tabela:

Layout de indutor	• Espaço de indutor deve ser o maior possível; • Alinhamento de indutor deve ser definido como ângulos retos;
Ground integrado	• Ground integrado deve ser arranjado sob condutores;
Furos passantes	• Módulo de indutância deve ser definido para furos passantes em área sensível; • Filtro ou rede de correspondência depende de furos passantes independentes; • Cobre de PCB mais fino reduz o efeito de indutância parasita de furo passante;
Ground e preenchimento	• Área de ground contínua com baixa impedância deve ser fornecida; • Conectar terminais de fios de preenchimento ao ground com array de furo passante aplicado; • Linhas revestidas de cobre têm que ser conectadas ao ground;

Artigo escrito pelo editor da PCBCart, Dora Yang, publicado pela primeira vez na revista Bodo's Power System, edição de agosto de 2017.

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