سیستم الکترونیکی خودرو ماژول های کاربردی متعددی مانند سیستم کنترل موتور، سیستم الکترونیکی بدنه، سیستم کیسه هوا، در سیستم سرگرمی خودرو و غیره را پوشش می دهد. این سیستم ها نیازمندی های متفاوتی برای بردهای مدار چاپی دارند و انتخاب لایه ها و ساختارها به طور مستقیم بر عملکرد، قابلیت اطمینان و هزینه برد مدار چاپی تاثیر می گذارد. بنابراین در فرآیند طراحی بردهای مدار چاپی الکترونیکی خودرو، لازم است عوامل متعددی به طور جامع در نظر گرفته شود تا بتوان انتخاب بهتری انجام داد.
1، تأثیر الزامات عملکردی برای سیستم های الکترونیکی خودرو بر لایه ها و ساختار برد مدار چاپی
(1) الزامات سیم کشی برای ماژول های عملکردی پیچیده
برای ماژول‌های کاربردی پیچیده مانند سیستم‌های کنترل موتور و سیستم‌های کمک رانندگی مستقل، آنها حاوی تعداد زیادی قطعات الکترونیکی و اتصالات مدار پیچیده در داخل هستند. این ماژول‌ها به سیم‌کشی با چگالی بالا در یک فضای محدود نیاز دارند تا نیازهای انتقال سیگنال را برآورده کنند. در این مرحله، یک ساختار برد مدار چاپی چندلایه می‌تواند لایه‌های سیم‌کشی بیشتری را فراهم کند، که به خطوط سیگنال، خطوط برق، و خطوط زمین اجازه می‌دهد تا معقول‌تر توزیع شوند و تداخل سیگنال و مشکلات تراکم سیم‌کشی را کاهش دهد.
(2) الزامات یکپارچه سازی برای ماژول های عملکردی مختلف
سیستم‌های الکترونیکی مدرن خودرو تمایل دارند چندین ماژول عملکردی را بر روی یک برد مدار چاپی ادغام کنند تا اندازه، هزینه‌های کمتر، و قابلیت اطمینان کلی سیستم را بهبود بخشند. به عنوان مثال، در سیستم‌های سرگرمی خودرو ممکن است عملکردهایی مانند ناوبری، پخش چند رسانه‌ای، ارتباط بلوتوث و غیره را ادغام کنند که به بردهای مدار چاپی نیاز دارد تا انواع مختلفی از تراشه‌ها و مدارها را در خود جای دهند و بستر خوبی برای تعامل سیگنال بین ماژول‌های عملکردی مختلف فراهم کنند. در این حالت، لایه‌ها و ساختارهای PCB مناسب می‌توانند به جداسازی و اتصال مناطق مختلف عملکردی، اجتناب از تداخل متقابل، دست یابند. با تقسیم معقول لایه‌های زمین‌شناسی و قدرت و اتخاذ یک ساختار سیم‌کشی چندلایه، انواع مختلف مدارها مانند مدارهای RF، مدارهای دیجیتال و مدارهای آنالوگ را می‌توان به طور موثری با هم ادغام کرد و در عین حال اطمینان حاصل کرد که عملکرد هر بخش از مدار تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد.
2، رابطه بین الزامات عملکرد الکتریکی و لایه ها و ساختار برد مدار چاپی
(1) یکپارچگی سیگنال
وقتی سیگنال‌های دیجیتالی با سرعت بالا بر روی بردهای مدار چاپی ارسال می‌شوند، به راحتی تحت تأثیر عواملی مانند بازتاب و تداخل قرار می‌گیرند که منجر به مشکلات یکپارچگی سیگنال می‌شود. برای اطمینان از کیفیت سیگنال، برای دستیابی به تطابق امپدانس خوب و محافظت از سیگنال، به یک ساختار برد مدار چاپی چند لایه- نیاز است. به عنوان مثال، در یک سیستم ارتباطی اترنت روی خودرو، نرخ انتقال سیگنال‌های سرعت بالا می‌تواند به 100 مگابیت در ثانیه یا حتی بیشتر برسد. در این مورد، باید از چندین لایه از بردهای مدار چاپی استفاده شود، و لایه‌ها باید به طور معقولی بین لایه‌های سیگنال چیده شوند تا یک ساختار محافظ کامل تشکیل دهند و تأثیر تداخل خارجی بر سیگنال را کاهش دهند. در عین حال، با کنترل دقیق امپدانس مشخصه خط انتقال، ضریب انعکاس سیگنال در محدوده قابل قبولی قرار می گیرد و در نتیجه از انتقال دقیق داده ها اطمینان حاصل می شود و از از دست رفتن داده ها یا خطاهای ناشی از مسائل مربوط به یکپارچگی سیگنال جلوگیری می شود.
(2) یکپارچگی قدرت
تراشه ها و مدارهای مختلف در سیستم های الکترونیکی خودرو نیاز به پایداری بالای منبع تغذیه دارند. PCB های چند لایه می توانند مسیرهای انتقال امپدانس کم را برای منابع برق از طریق طراحی های تخصصی برق و لایه زمین فراهم کنند و نویزهای برق و نوسانات ولتاژ را کاهش دهند.
3، انتخاب لایه و ساختار برد مدار چاپی تحت الزامات قابلیت اطمینان
(1) مدیریت حرارتی
دستگاه‌های الکترونیکی خودرو در حین کار، گرما تولید می‌کنند، به‌ویژه دستگاه‌های نیرو مانند درایورهای قدرت در واحدهای کنترل موتور و شارژرهای خودرو. گرمای بیش از حد می تواند بر عملکرد و طول عمر قطعات الکترونیکی تأثیر بگذارد، بنابراین تعداد لایه ها و ساختار بردهای مدار چاپی باید الزامات مدیریت حرارتی را در نظر بگیرد. بردهای مدار چاپی چند لایه می توانند به دفع گرما از طریق لایه های فلزی داخلی کمک کنند.
(2) استحکام مکانیکی و عملکرد ضد لرزش
خودروها در حین کار در معرض ارتعاشات و ضربه‌های مختلفی قرار می‌گیرند که لازم است PCBها دارای استحکام مکانیکی کافی و عملکرد ضد لرزش باشند. به دلیل پشتیبانی متقابل از ساختار چند لایه، بردهای مدار چاپی چندلایه-می توانند استحکام مکانیکی کلی را تا حد معینی بهبود بخشند. در عین حال، در طراحی برد مدار چاپی، می توان با افزودن سوراخ ها، بهینه سازی ابعاد خارجی و انتخاب مواد مناسب، قابلیت ضد لرزش آن را افزایش داد. به عنوان مثال، در طراحی برد مدار چاپی سیستم‌های کنترل شاسی خودرو، استفاده از بردهای مدار چاپی سفت و سخت چند لایه همراه با اقدامات تقویتی ویژه می‌تواند تضمین کند که برد مدار چاپی دچار ایراداتی مانند ترک خوردن اتصالات لحیم کاری و شکستگی مدار در محیط‌های ارتعاشی خشن نخواهد شد و عملکرد قابل اعتماد سیستم را تضمین می‌کند.
4، محدودیت های هزینه و مبادله- بین لایه ها و ساختار برد مدار چاپی
(1) تأثیر افزایش تعداد لایه ها بر هزینه ها
اگرچه بردهای مدار چاپی چند لایه دارای مزایایی در عملکرد و اجرای عملکردی هستند، افزایش تعداد لایه‌ها می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌های ساخت شود. این عمدتاً در هزینه های مواد، هزینه های فناوری پردازش و چرخه های تولید منعکس می شود. برای هر لایه اضافی از برد مدار چاپی، مواد اضافی مانند ورقه های مسی-روکش شده و ورق های نیمه پخت مورد نیاز است. در عین حال، فناوری پردازش بردهای مدار چاپی چند لایه پیچیده‌تر است و به تجهیزات دقیق‌تر و مراحل پردازش بیشتری نیاز دارد، مانند چند لایه چند لایه، حفاری، آبکاری و غیره که هزینه‌های تولید و چرخه‌های تولید را افزایش می‌دهد. بنابراین، در حالی که الزامات عملکرد سیستم های الکترونیکی خودرو را برآورده می کند، طراحی برد مدار چاپی باید تا حد امکان بهینه شود تا از افزایش لایه های غیر ضروری و کنترل هزینه ها جلوگیری شود.
(2) امکان کاهش هزینه ها از طریق بهینه سازی ساختاری
با انتخاب و بهینه سازی ساختار برد مدار چاپی می توان تا حدودی هزینه ها را کاهش داد. علاوه بر این، بهینه‌سازی ابعاد خارجی و روش‌های مونتاژ بردهای مدار چاپی می‌تواند استفاده از برد را بهبود بخشد و به طور موثر هزینه‌های مواد را کاهش دهد. در عین حال، برنامه‌ریزی معقول سیم‌کشی و چیدمان قطعات، کاهش تعداد و لایه‌های Vias، نه تنها می‌تواند کارایی تولید را بهبود بخشد، بلکه هزینه‌های پردازش را نیز کاهش می‌دهد.