Десять рекомендаций по проектированию печатных плат для автомобилей

Высокий уровень конкуренции, существующий на рынке современной автомобильной электроники, стимулирует производителей постоянно внедрять новые технологии, и совершенствовать уже имеющиеся опции, такие как автопилот, автоматическая парковка, экстренное торможение, запуск без ключа, контроль движения по полосе и тому подобные.

Важной и неотъемлемой частью любого электронного устройства в автомобиле являются печатные платы, их качество и надежность напрямую влияют на стабильность функционирования автомобильной электроники, а, следовательно, на комфорт и безопасность пассажиров и сохранность перевозимых грузов.

Рекомендации по проектированию, приведенные в этой статье, помогут разработчикам создавать максимально эффективные автомобильные печатные платы.

Роль печатных плат в автомобилестроении

Надежность функционирования автомобильных систем зависит от конструкции и компоновки печатных плат, обеспечивающих взаимосвязь между различными элементами автомобильной электроники (автомобильными датчиками, модулями GPS, системами освещения, концевиками дверей, блоком управления двигателем, аудиосистемой и другими). Успешные разработки в этой области оказывают большое влияние на всю отрасль автомобилестроения, а улучшение характеристик печатных плат, используемых в автомобильной электронике, сделало возможным внедрение таких важных функций, как:

• оптимизация расхода топлива;
• увеличение надежности систем безопасности. При помощи печатных плат осуществляется контроль таких систем, как подушки безопасности, радиолокационный и инфракрасный контроль, камеры кругового обзора и т.п., что помогает снизить количество дорожно-транспортных происшествий;
• поддержка экологической безопасности благодаря созданию электромобилей и беспилотных автомобилей.

Любая печатня плата должна соответствовать требованиям, изложенным в стандартах (ГОСТ, IPC и др.). Это позволяет избежать ошибок при проектировании и, как следствие, проблем во время производства и эксплуатации печатной платы. Ниже даны советы, которые помогут разработчику автомобильных печатных плат выполнять рекомендации, приведенные в стандартах.

Ориентация и размещение компонентов

Расположение и ориентация электронных компонентов на печатной плате оказывают большое влияние на ее надежность, технологичность и производительность. Правильный выбор компонентов снизит риск возникновения дефектов при производстве и монтаже печатной платы. Далее предложено несколько советов по размещению компонентов на плате:

• Ориентируйте похожие компоненты в одном направлении. Это облегчит выполнение трассировки и последующий процесс пайки.
• Если планируется пайка волной пропоя, располагайте компоненты параллельно направлению волны. Это предотвратит образование перемычек припоя и возникновение разрывов цепи (отсутствие соединения).
• Обеспечьте большее пространство между проводящими дорожками на плате (рис. 2).

• Располагайте проводники под прямым углом друг к другу. Это уменьшит перекрестные помехи, связанные с паразитной индуктивностью.
• Сначала размещайте крупные и наиболее важные компоненты.
• Аналоговые и цифровые компоненты размещайте на разных участках платы.
• Избегайте расположения высоких компонентов (например, электролитических конденсаторов) рядом с более низкими, поскольку это может отрицательно повлиять на качество паяных соединений.
• Мощные компоненты должны находиться как можно дальше от других компонентов, чтобы оптимизировать рассеивание тепла на плате.
   

Неправильное размещение выводов может повлиять на электромагнитную связь и вызвать взаимную индуктивность. Следование приведенным ниже рекомендациям повысит эффективность размещения выводов компонентов на печатной плате:

• Избегайте размещения выводов близко друг к другу.
• Проектируйте путь обратного тока рядом с основным путем тока в зоне с низким уровнем помех. Это поможет уменьшить площадь токовой петли.
• Для повышения надежности платы следует выполнить комплексное заземление под контактами.

Используйте от двух до четырех переходных отверстий на слой для соединения слоев, проводящих большие токи. Это повысит надежность, уменьшит резистивные и индуктивные потери и улучшит теплопроводность. При трассировке сигналов придерживайтесь следующих правил:

• Используйте внутренние слои питания и заземления.
• Защитите чувствительные сигналы от источников шума с помощью экранирующих слоев и обеспечьте контролируемое сопротивление
• для их передачи. Токопроводящие дорожки на плате должны быть максимально короткими и прямыми.
• Желательно, чтобы дорожки на двухслойных печатных платах располагались с одной стороны горизонтально, а с другой — вертикально.
• На многослойных платах чередуйте вертикальную и горизонтальную трассировку дорожек на соседних слоях.

При использовании компонентов, которые поглощают свыше 10 мВт или проводят более 10 мА, необходимо обращать особое внимание на управление температурным режимом с целью обеспечения эффективного рассеивания тепла на плате. Вот несколько рекомендаций, которые помогут решить эту задачу наилучшим образом:

• Выберите правильную толщину слоев меди и используйте сигнальные отверстия в качестве теплоотводящих отверстий, чтобы увеличить теплопроводность.
• Расположите переходные отверстия для передачи сигнала ближе к компонентам с поверхностными выводами или прямо под SMD-компонентами.
• Для мощных компонентов используйте радиаторы.
• Поместите металлические термопрокладки под те части платы, которые будут подвержены нагреву.
• Для передачи тепла от термопрокладок к заземляющим слоям можно использовать переходные отверстия с заполнением теплопроводящим материалом.
• Используйте металлические внутренние слои, а также полиимидные материалы, так как они обладают улучшенными тепловыми  арактеристиками.
• Используйте несколько плоскостей заземления и питания и напрямую соединяйте их с источниками тепла через теплоотводящие переходные тверстия. Это поможет снизить рабочую температуру и улучшить тепловой режим всей платы.
• Отдавайте предпочтение материалам с высокой Tg (температурой стеклования), чтобы плата могла выдерживать высокие температуры окружающей среды.

Не пренебрегайте анализом проекта на возможные ошибки, которые могли быть допущены в процессе разработки или внесения корректировок. Провести полноценную проверку поможет этот чек-лист:

• Оцените, насколько корректно рассчитано расстояние между компонентами на печатной плате в целом и на отдельных ее слоях.
• Проверьте ширину зазора между проводниками питания и заземлением. Убедитесь, что на плате имеется достаточное пространство под линии заземления.
• Проконтролируйте правильность заземления аналоговых и цифровых цепей.
• Удалите нежелательные линии, например, открытые заглушки и т.п., если таковые найдутся.
• Проверьте соответствие всех соединений на плате соединениям в принципиальной электрической схеме.
• Удостоверьтесь, что отступ внешнего края силового слоя от края печатной платы имеет достаточную ширину. Это позволит избежать коротких замыканий при его выходе на край.
• Оцените целостность сигнала, целостность питания, наличие электромагнитных помех и проверьте общую безопасность печатной платы.

Стандарты, регулирующие процесс проектирования автомобильных печатных плат

Печатные платы — сложные многокомпонентные электронные устройства, от надежности которых зависит эффективность функционирования многих автомобильных систем, таких как связь, безопасность, система помощи водителю, блок управления двигателем и другие. Быстрое развитие технологий в отрасли автомобилестроения, в частности в сфере производства беспилотных транспортных средств, обусловливает постоянное усложнение электронных схем, что, в свою очередь, требует от разработчика знания и соблюдения стандартов, которые регулируют процесс проектирования автомобильных плат, а именно: IATF 16949, IPC-6012 класс 3, AEC-Q100 и SAE J3016_201401.

Стандарт IPC-6012 описывает требования к проводящему рисунку, толщине паяльной маски и медных слоев, а также к другим параметрам, которые необходимо учитывать при проектировании и производстве автомобильных плат. Вот некоторые рекомендации, основанные на информации из IPC-6012:

Следите, чтобы точность позиционирования отверстия находилась в пределах установленного допуска, который составляет
100 мкм.

Придерживайтесь минимально допустимого значения AR (соотношения диаметра и глубины) для сквозных отверстий. При механическом сверлении отверстий выбирайте минимально доступный размер сверла.

Убедитесь, что расстояние между стенками отверстия не превышает 40% от толщины диэлектрика.

Перед нанесением паяльной маски проверьте чистоту поверхности платы. Допустимый уровень загрязнений — 0,75 г/см 2 эквивалента хлорида натрия.

Перед оценкой платы на изгиб и скручивание после процесса пайки необходимо убедиться в отсутствии таких дефектов как трещины, обрывы и короткие замыкания.

Удостоверьтесь, что параметры паяльной маски соответствуют стандарту IPC-6012DA. Например, если вы используете плату с медным покрытием класса 3 и толщиной основной меди 18 мкм, допустимая толщина паяльной маски рассчитывается, исходя из таблицы 1.

Монтажные отверстия должны быть металлизированы и заземлены. Одной из проблем являются плохие характеристики волнового
сопротивления различных цепей. В основном это вызвано применением различных электронных компонентов и способом их соединения. Следовательно, при проектировании изделий автомобильной электроники можно использовать следующие практические рекомендации:

• В чувствительных зонах размещайте индуктивные модули рядом со сквозными отверстиями.
• Применяйте соответствующие фильтрующие схемы в зависимости от конфигурации сквозных отверстий.
• Применяйте тонкие медные слои. Это уменьшит влияние паразитных индуктивностей сквозных отверстий.

Оптимизация высокочастотной цепи

Конструкция печатной платы для применения в автомобилестроении идеально сочетает в себе высокочастотные (RF) схемы. Решение проблем, связанных с совместимостью, энергопотреблением и долговременной надежностью, может оказаться сложной задачей. В процессе проектирования используйте следующие рекомендации:

• Применяйте высоко-линейные активные или интерфейсные устройства.
• Обратите внимание на эффективность радиочастотного интерфейса (RF), потребление тока и рассеиваемую мощность.
• Выберите высокопроизводительный радиочастотный фильтр, чтобы свести к минимуму вносимые потери, температурный дрейф и помехи.
• Используйте компоненты, которые объединяют функции передачи, приема и фильтрации в одном устройстве.

Применяйте правильные методы заземления

В процессе проектирования заземления в автомобильном устройстве:

• На каждой плате обеспечьте единственную точку соединения земель.
• Предусмотрите обширный полигон «земли» с максимально низким сопротивлением.
• Соединяйте землю с входной цепью матрицей сквозных отверстий.
• Всегда соединяйте экраны проводов с «землей».

Предотвращение электромагнитных помех

В любой электрической цепи жизненно необходимо предусмотреть меры предотвращения генерации электромагнитных помех. Это требуется для обеспечения надежного функционирования автомобиля в целом. Вы можете защитить своё устройство от воздействия помех при помощи перечисленных методов:

• Площадь любого замкнутого контура должна быть минимальной.
• Обеспечьте экранирование устройства и компонентов, генерирующих помехи.
• Используйте дифференциальные пары для передачи сигналов на плате.
• Оптимизация трассировки проводников и назначения выводов компонентов помогают уменьшить взаимное влияние сигналов.
• Увеличьте емкость фильтров по питанию, используйте RC-цепи развязки.
• Применяйте системы зажигания без распределителя (трамблёра) для исключения источника помех и электромагнитного излучения.
• Использование прокола (шины) CAN уменьшает необходимое количество проводов, таким образом, можно снизить воздействие электрических помех и устранить проблемы электромагнитной совместимости.