Het ontwerpen van betrouwbare rigid-flex printplaten voor automotive elektronica: Een uitgebreide gids

In de snel evoluerende wereld van de automobielelektronica, waar voertuigen nu meer dan 50 ECU's bevatten, zijn geavanceerde ADAS's en hoogspannings-EV-systemen als een game-changer opgekomen.Deze hybride boards combineren de sterkte van starre PCB's met de flexibiliteit van flexibele circuitsHet ontwerpen ervan voor het gebruik in auto's vereist echter precisie:voertuigen elektronica blootstellen aan temperaturen van -40°C tot 125°CDit is hoe je rigide-flex PCB's ontwerpt die in deze moeilijke omstandigheden gedijen.

Belangrijkste lessen
a.Rigid-flex PCB's verminderen de grootte van de elektronica in de auto's met 30% en verminderen de storingen van de connectoren met 50% in vergelijking met traditionele alleen-stijve ontwerpen.
b.Materiaalparing (polyimide voor flexlagen, FR-4 voor stijve secties) is van cruciaal belang om thermische cyclussen en trillingen te weerstaan.
c.De naleving van normen zoals AEC-Q100 en IPC 2223 zorgt voor naleving van de betrouwbaarheidseisen voor auto's.
d.Eigen curve radius, transitie zone ontwerp en testen (thermische cycling, trillingen) zijn niet onderhandelbaar voor de prestaties op lange termijn.

Waarom de automobielelektronica rigide-flex PCB's vraagt

Moderne auto's worden geconfronteerd met extreme bedrijfsomstandigheden die traditionele PCB's tot hun grenzen drijven.

1Extreme temperatuur en trillingen
De elektronica van de auto's ondergaat brutale thermische schommelingen van -40°C (koud starten) tot 125°C (warmte in de motorruimte), waardoor de materialen uitdijen en samentrekken, waardoor het risico bestaat dat de soldeerscheuren scheuren of tekortkomingen ondervinden.Vibraties (tot 20 G in ruw terrein) verergeren deze problemen: 68% van de QFN-soldeerblokken barst na 50 thermische trillingscycli bij ongebruikte ontwerpen.

Rigid-flex PCB's verminderen dit door:

Gebruik flexibele lagen die trillingsenergie absorberen.
Het koppelen van materialen met gelijke thermische uitbreidingspercentages (CTE), waardoor de spanning wordt verminderd.

2Ruimte- en gewichtsdrukken
Elektrische auto's en autonome voertuigen drukken meer elektronica in krappe ruimtes, bijvoorbeeld dashboards, deurpanelen en batterijbeheersystemen.voor het snijden met 25% van het gewicht en voor het monteren in 40% kleinere volumes dan alleen stijve assemblagesBijvoorbeeld, instrumentenclusters met een stijf-flex ontwerp krimpen van 120 cm3 tot 70 cm3, waardoor ruimte vrijkomt voor grotere displays.

3. Veiligheid en naleving
De automobielelektronica moet aan strenge normen voldoen om catastrofale storingen te voorkomen.

Belangrijkste kenmerken van betrouwbare automotive rigide-flex PCB's

Materiaalkeuze: de basis van duurzaamheid
De juiste materialen maken of breken de prestaties in ruwe omgevingen:

a.Flexe lagen: Polyimide (PI) is niet verhandelbaar. Het is bestand tegen soldering bij 260°C, bestand tegen chemicaliën (oliën, koelmiddelen) en behoudt na meer dan 10.000 buigingen zijn flexibiliteit.De CTE (20-30 ppm/°C) vermindert de spanning bij koppeling met koper.
b.Rijke secties: FR-4 (glasversterkt epoxy) biedt structurele ondersteuning. Voor gebieden met hoge hitte (bijv. EV-omvormers) voorkomt FR-4 met een hoge Tg (Tg > 170°C) delaminatie.
c.lijmstoffen: gebruik acryl- of epoxylijmstoffen met een lage uitgassing om besmetting in afgesloten omgevingen (bijv. batterijpakketten) te voorkomen.

Stackup & Routing: Flexibilisatie en kracht in evenwicht brengen

Een goed ontworpen stack-up optimaliseert ruimte en betrouwbaarheid:

a.Layercombinatie: meng 1 ¢2 flexibele lagen (PI + 1 oz koper) met 2 ¢4 starre lagen (FR-4 + 2 oz koper) voor ADAS-modules. Dit zorgt voor een evenwicht tussen flexibiliteit en signaalintegriteit.
b.Routing: gebogen sporen (niet 90° hoeken) verdelen de spanning en verminderen de sporexplosie met 60%.
c.Vermindering van connectoren: stijve-flex ontwerpen elimineren 70% van de board-to-board connectoren, een veel voorkomend storingspunt.

Critische ontwerprichtlijnen
Buigradius: Vermijding van buigproblemen
De buigradius is de meest kritische ontwerpparameter: te strak, en kopersporen scheuren.

Plaats nooit onderdelen, vias of soldeerverbindingen in buigzones, dit creëert stresspunten.

Overgangsgebieden: het gladmaken van de verbindingen van rigide naar flexibele verbindingen
Het gebied waar stijve en buigschaal elkaar ontmoeten, is gevoelig voor stress.

a. Verkorte stijve secties geleidelijk (10° hoek) verkorten om abrupte dikteveranderingen te voorkomen.
b.In overgangsgebieden gebruik maken van kruisgesloten grondvlakken om de kopermassa te verminderen, waardoor de flexibiliteit wordt verbeterd.
c.Vermijd dikke soldeermassen want ze barsten bij herhaalde buigingen.

Vias & Pads: Zwakke punten versterken
a.Houd doorlopende gaten (PTH) op een afstand van ten minste 20 millimeters (0,5 mm) van de buigvlakken om te voorkomen dat koper scheurt.
b. Gebruik traanvormige pads via verbindingen. Dit verhoogt de trekkracht met 30%.
c. Plaats de via's op de neutrale as (middenlaag) van de flex secties, waar de spanning het laagst is.

Vervaardiging en testen: betrouwbaarheid verzekeren
Kwaliteitscontroles
Strenge inspectie vangt problemen op voordat ze voertuigen bereiken:

a.AOI (Automated Optical Inspection): Scans op sporen van gebreken, ontbrekende soldeer of pad mislijning ‧kritisch voor ADAS-platen met een hoge dichtheid.
b.Röntgenonderzoek: Onthult verborgen gebreken (bijv. leegtes in BGA-soldeersluitingen onder starre secties).
c. Peelingsterkte: controleert de koperen hechting aan PI (minimaal 1,5 N/cm per IPC-TM-650).

Betrouwbaarheidstesten
Imitatie van realistische omstandigheden om de prestaties te valideren:

a.Thermische cyclus: test 1000 cycli (-40°C tot 125°C) om te controleren of er scheuren of delaminatie in de soldeer zijn.
b.Vibratieonderzoek: 20G-schokken (10-2.000 Hz) op shakertafels om de wegstress te simuleren.
c. Vochtbestendigheid: 85 °C/85% RH gedurende 1000 uur om corrosie in vochtige omgevingen (bijv. onderkap) te voorkomen.

Algemene valkuilen om te vermijden
1Materiële onverenigbaarheid
Mismatched CTE tussen PI en FR-4 veroorzaakt thermische spanning. Bijvoorbeeld, het gebruik van FR-4 met een CTE van 14ppm/°C met PI (25ppm/°C) leidt tot 30% meer soldeer gewrichten falen.Selecteer materialen met CTE binnen 5ppm/°C van elkaar.

2Met uitzicht op Dynamic Flex.
Statische buigingen (bijv. in een dashboard gevouwen) zijn gemakkelijker dan dynamische flex (bijv. bewegende deursensoren).1 oz) om herhaalde bewegingen te weerstaan.

3Slechte plaatsing van de stijfmaker.
Versterkers (Kapton of FR-4) ondersteunen componenten op flex secties, maar kunnen stress veroorzaken bij overmatig gebruik.

Vaak gestelde vragen
V: Hoe verbeteren rigide-flex PCB's de veiligheid van auto's?
A: Door connectoren te verminderen (een veel voorkomend storingspunt) en trillingen/warmte te weerstaan, minimaliseren ze elektrische storingen in kritieke systemen zoals airbagcontrollers of remsensoren.

V: Kunnen rigide-flex PCB's high-voltage elektrische systemen aan?
A: Ja, door het gebruik van dik koper (3 oz) en hoogisolatieve PI (500 V/mil) zijn ze geschikt voor batterijbeheersystemen van 400 V/800 V.

V: Wat is de gemiddelde levensduur van een rigide-flex PCB in een auto?
A: meer dan 15 jaar of meer dan 200.000 mijl wanneer het volgens de AEC-Q100-normen is ontworpen, meer dan de gemiddelde levensduur van het voertuig.

Conclusies
Rigid-flex PCB's zijn onmisbaar voor de volgende generatie automobielelektronica, ze bieden ruimtebesparing, betrouwbaarheid en voldoen aan strenge normen.volgens de IPC-richtsnoerenVoor automobieltoepassingen is het niet alleen risicovol, maar ook kostbaar om de rand te snijden in het rigide-flex-ontwerp.Investeer in precisie, en uw PCB's zullen zo lang functioneren als de voertuigen die ze aansturen.