車載電子機器向けPCB設計の主要原則

電子要素は自動車でますます活発な役割を果たしています。現在、トップレベル車両には200を超える電子制御ユニットが搭載され、その中には車載コックピットで適用されるセンサーとプロセッサーが含まれます。自動車向け電子製品の価値は、動力系、ボディ、シャシーにあり、それらの大半はデジタル電源に関連しています。

自動車への電子システム適用は、以下の3側面で自動車性能向上を目的とします：
a. 環境改善：燃費節約、排ガス削減、ガソリン・天然ガス・バイオ燃料からハイブリッド・純電動への燃料転換。電気自動車は自動車産業の戦略的方向性となっています。
b. 安全性向上：交通事故削減、エアバッグ、レーダー監視、ステレオカメラ、赤外線監視、自動回避から自律走行まで。現在、自律走行車が最大の注目と投資を集めています。
c. 利便性と快適性：オーディオ、ビデオディスプレイ、エアコン、コンピューター、モバイル通信、インターネット、ナビゲーション、電子料金収受システムなど、利便性と人間工学の観点から。

電子デバイスのバックボーンとして、自動車向けPCB（プリント基板）も上記要件を満たす必要があります。

自動車PCBの基本要件

・品質保証要件

メーカーやディストリビューターにとっての長期品質保証の基本要求は、健全な品質マネジメントシステム、国際的にはISO9001です。自動車産業の特殊性により、北米の主要自動車メーカー3社が1994年に自動車産業独自の品質マネジメントシステムQS9000を共同設立。21世紀初頭、ISO9001規定に基づき世界自動車メーカーにより新品質管理システムISO/TS16949が公表されました。

自動車産業のグローバル技術規制として、ISO/TS16949は自動車産業特別要求を統合し、自動車部品サプライチェーンにおける欠陥防止、品質変動、廃棄削減に焦点を当てています。

したがって、自動車PCBメーカーが本格的に自動車市場に参入する前に取得すべき最初の認証はISO/TS16949です。

・性能基本要件

a. 高信頼性

自動車信頼性は主に2側面：サービスライフ中に制御ユニットと電子部品が正常動作すること、および極端環境で自動車制御ユニットと電子部品が優秀に振る舞う環境耐性です。

自動車の平均サービスライフは10〜12年で、この間に交換可能なのは部品や消耗部品のみ。つまり、電子システムとPCBは自動車と同等のサービス年数を持たなければなりません。

車両は適用プロセスで気候と環境の影響を受け、極寒、極熱、長期日照、雨など。さらに、動作する電子部品とシステムによる発熱がもたらす環境変化も受けます。自動車電子システムとPCBも同様です。自動車電子システムは、温度、湿度、雨、酸性スモッグ、振動、電磁干渉（EMI）、電流サージなどの環境厳しさを克服しなければなりません。

b. 軽量化と小型化

軽量化と小型化は燃費節約に有益で、各部品と基板の軽量化・小型化から生じます。例えば、自動車用ECU（電子制御ユニット）体積は21世紀初頭に1,200cm³でしたが、少なくとも4分の1に縮小されました。PCBの軽量化・小型化は密度向上、面積削減、薄型化、多層化から生じます。

自動車PCBの性能特性

・多様なタイプ

機械と電子デバイスの組み合わせとして、現代車両技術は伝統技術と最新科学技術を統合。異なる部位は異なる機能の電子デバイスに依存し、異なるミッションを持つPCBが適用されます。

自動車用PCBの基板材料による区別に基づくと、無機セラミックベースPCBと有機樹脂ベースPCBに分類されます。セラミックベースPCBの主要特性は高耐熱性と優れた寸法安定性で、高温環境のエンジンシステムに適用可能。しかし、セラミックベースPCBは製造性が悪く、基板コストが高くなります。新規開発耐熱性向上樹脂基板の発展により、樹脂ベースPCBが現代車両の大半で採用されています。

一般的なルール：異なる性能の基板材料を用いたPCBが、車両の異なるセクションに適用され、異なる機能実装を担当します。下表は車両デバイス/機器の一部と適合PCBタイプを示します。

車両デバイス	PCBタイプ
速度計；エアコン	単層/両面PCB 単層/両面フレキシブルPCB
カーステレオ；モニター	両面PCB 多層PCB フレキシブルPCB
車載通信デバイス；ワイヤレス位置特定機器；セキュリティ制御システム	多層PCB HDI PCB フレキシブルPCB
エンジンシステム；動力伝達制御システム	メタルコアPCB リジッドフレックスPCB
車両パワーコントローラー；ナビゲーションデバイス	組み込みPCB

・車両各部位におけるPCB信頼性要件

公共安全に関わる輸送ツールとして、自動車は高信頼性製品群に属します。通常の寸法、外観、メカニクスとエレクトロニクス性能要件に加え、一連の信頼性テストを実施する必要があります。

a. 熱サイクルテスト（TCT）

車両の異なるセクションに応じて5レベルが設定されます。下表は車両多様セクションにおけるPCB熱サイクル温度をまとめたもの：

車両セクション	レベル	低温	高温
車体内部	A	-40°C	85°C
車両シャシー下部	B	-40°C	125°C
エンジン上部	C	-40°C	145°C
トランスミッション部品	D	-40°C	155°C
エンジン内部	E	-40°C	165°C

b. 熱衝撃テスト（TST）

自動車PCBが極端な高温環境で適用されるのは極めて一般的で、特に厚銅PCBでは外部熱と自体発熱の両方を受けるため、挑戦的です。したがって、自動車PCBの耐熱性により高い要求が求められます。

熱衝撃テストに参加するには、自動車PCBを260°Cまたは288°Cの高温半田ペーストに10秒間、3回浸漬します。合格PCBは積層、膨れ、銅クラックなどの問題がありません。現在、鉛フリー半田付けがPCB組立で使用され、比較的高い半田付け温度となるため、熱衝撃テストへの必要性がさらに高まっています。

c. 温度湿度バイアス（THB）テスト

自動車PCBは雨天や湿度環境など多数の動的周囲環境を経験するため、PCB CAF（導電性アノードフィラメント）移動も検査できるTHBテスト実施が必要です。CAFは以下の状況でのみ発生：基板上の隣接ビア間、隣接ビアと配線、隣接配線、隣接層。これらの状況で絶縁性が低下、甚至はショートします。絶縁抵抗はビア、配線、層間距離で決定されるべきです。

自動車PCBの製造特徴

・高周波PCB

軍用レーダーと類似して、近距離レーダーとして自動車衝突防止・予測緊急ブレーキシステムはPCBでマイクロ波高周波信号を伝送。したがって、低誘電損失基板材料が推奨され、PTFE（ポリテトラフルオロエチレン）が通常適用されます。通常のFR-4とは異なり、PTFEや類似高周波材料は当然ながら異なる製造性を要求します。例えば、ビア穴あけプロセスで特殊ドリル速度が必要です。

・厚銅PCB

車両は高電子密度と電力によりより多くの熱を発生。ハイブリッド車と全電動車の増加に伴い、先進動力伝達システムが要求され、放熱能力と大電流への高い需要を駆動。これを達成するため、PCB銅厚を増やすか、多層PCBに銅リードと金属を埋め込みます。

厚銅両面PCBは製造容易ですが、厚銅多層PCBは製造がかなり困難。鍵は厚銅グラフィックスエッチングと厚銅ギャップ充填にあります。

厚銅多層PCBの内部回路は厚銅。その後、グラフィックス転写には極めて高い耐食性を持つ厚膜が必要。エッチング時間は十分長く、エッチング装置と技術条件を最適状態に保ち、優れた厚銅回路を確保。

内部導体と絶縁基板材料表面には大きな差があり、通常の多層PCB積層では樹脂が完全に充填されず、キャビティ発生を招きます。したがって、高樹脂含有量の薄いプリプレグが推奨されます。一部多層PCBは内部回路で異なる銅厚を持つため、大きな差異と小さな差異の領域で異なるプリプレグを使用できます。

・部品埋め込み

埋め込み部品PCBは最初に携帯電話で適用され、実装密度向上と製品全体サイズ縮小を実現。これは他電子製品でも本質的に重要。そのため埋め込み技術が自動車電子デバイスで使用されます。

部品埋め込み方法に基づくと、多くの埋め込みPCB製造オプションがあります：
a. 溝をフライス加工し、その後SMDをウェーブ半田付けまたは導電ペーストで実装。
b. 薄膜SMDをウェーブ半田付けで内部回路に最初に実装。
c. 厚膜部品をセラミックベースに印刷。
d. SMDをウェーブ半田付けで実装し、その後樹脂でパッケージング。このタイプの埋め込みPCBは、耐熱性、耐湿性、耐衝撃性など車両要求とより適合し、高信頼性。

・HDI技術

エンターテインメントと通信機能でスマートフォンやタブレットと類似するため、車両もHDI PCBを必要とします。その結果、マイクロビア穴あけ、電気メッキ、相互接続技術を自動車PCBに適用する必要があります。

自動車PCB設計考慮事項

・インダクタ方向

2つのインダクタ（または2つのPCB配線でも）が互いに近接すると、インダクタンスが生成されます。ある回路（回路A）の電流が生成する磁界は、他方の回路（回路B）の電流を駆動します。このプロセスはトランス一次・二次コイルの相互作用と類似。2つの電流が磁界を通じて相互作用すると、生成電圧は相互インダクタンス（Lₘ）で決定されます：。この式で、Y_Bは回路Bへの誤差電圧入力、L_Aは回路Aを流れる電流。Lₘは回路間隔、インダクタンスループ面積、ループ方向に非常に敏感です。

したがって、回路内の全インダクタを配置する最適方法は、コンパクトな回路レイアウトと結合バランス低減で達成できます。

相互インダクタンス分布はインダクタ整列に関連。したがって、回路Bの方向を修正し、その電流ループを回路Aの磁力線と平行にします。これを達成するには、インダクタを垂直に配置すべきで、相互インダクタンス低減に有益です。

自動車PCBインダクタレイアウトルール：
a. インダクタ間隔は可能な限り大きくする
b. インダクタ整列を直角に設定し、それら間のクロストークを最小化

・リード結合

インダクタ整列が磁界結合に影響するのと同様に、リードが互いに近接すると結合に影響し、相互インダクタンスが生成される可能性があります。RF回路の主要問題は、入力マッチングネットワーク、受信機共振チャネル、送信機アンテナマッチングネットワークなど感度の高い部品レイアウトにあります。

リターン電流パスはメイン電流パスに可能な限り近接すべきで、放射界を最小化し、電流ループ面積削減に有益。最適低インピーダンスパスは通常、リード下のグランド領域、すなわちループ面積が誘電体厚×リード長の領域に効果的に制限されます。しかし、グランド領域が分割されている場合、ループ面積は拡大。分割領域を横切るリードでは、リターン電流が高インピーダンスパスを強制され、電流ループ面積が大幅に増加。このタイプのレイアウトも回路を相互インダクタンスに対してアクセス可能にします。

一言で言えば、リード下に可能な限り統合グランドを確保すべきで、統合面積グランドは回路性能向上に有益です。

・グランドスルーホール

RF回路が解決すべき主要問題は通常、回路（電子部品と相互接続を含む）の悪い特性インピーダンスにあります。薄い銅層はインダクタンス配線と同等。さらに、銅層と隣接リード間で分布容量が形成されます。リードがスルーホールを通過すると、インダクタンスと容量特性も表示されます。

スルーホール容量は主に、スルーホールパッドエッジ銅と底部銅間の容量から生じます。スルーホール容量に影響するもう1要素は金属スルーホールシリンダー。寄生容量はわずかな影響で、通常高速デジタル信号の低い信号エッジのみを引き起こします。

スルーホールの最大効果は、相互接続によって生じる対応寄生インダクタンス。大多数の金属スルーホールがRF PCB設計で集積部品と同じ寸法を持つため、この式でスルーホール効果を見積もれます：。この式で、L_VIAはスルーホール集積インダクタンス、hはインチ単位ビア高さ、dはインチ単位ビア径。

結果として、回路レイアウトは以下の原則に準拠すべきです：
a. 感度領域のスルーホールにインダクタンスモジュールを設定
b. フィルタまたはマッチングネットワークは独立スルーホールに依存
c. より薄いPCB銅はスルーホール寄生インダクタンス効果を低減

・グランドとフィリング

グランドまたは電源プレーンは、低インピーダンスパスを通じてシステム内全部品に電力を供給する公共基準電圧を定義。このスキームに基づき、すべての電界をバランスさせ、優れた遮蔽スキームを生成できます。

直流は常に低インピーダンスパスを流れます。同様に、高周波電流も最初の瞬間に最低インピーダンスパスを流れるパスです。したがって、グランドプレーン上の標準PCBリードでは、リターン電流はリード直下のグランド領域に流れ込もうとします。その後、分割グランド領域はあらゆる種類のノイズを引き起こし、磁界結合や電流蓄積を通じてクロストークをさらに増加。その結果、可能な限りグランド整合性を確保すべきで、さもなければリターン電流がクロストークを駆動します。

さらに、フィリンググランド（保護配線とも呼ばれる）は、連続グランド配置が困難な領域や感度回路への遮蔽が必要な回路設計で通常適用されます。グランドスルーホールを配線端子や配線に沿って配置し、遮蔽効果を増強。保護配線はリターン電流パスを提供するリードと混在させられず、クロストークをもたらします。

銅エリアがグランドに接続されていないか、1端子でのみグランド接続されている場合、有効性は低下。一部ケースでは、周囲インピーダンス変更や回路間ポテンシャルパス形成により寄生容量が生成され、悪影響をもたらします。簡単に言えば、基板上に銅を配置する必要がある場合、同じ電気メッキ厚を維持すべきです。

最後に、アンテナ近くのグランド領域を考慮すべきです。単極アンテナはグランド領域、配線、スルーホールをシステムバランスの一部分と見なし、非理想的バランス配線はアンテナ放射効率と方向に影響。したがって、グランド領域を回路基板の単極アンテナ直下に直接配置してはなりません。

まとめると、グランドとフィリングの観点から以下の設計原則に準拠すべきです：
a. 低インピーダンス連続グランド領域を可能な限り提供
b. フィリング配線の両端子をグランドに接続し、スルーホールアレイを適用
c. 銅被覆ラインを、銅被覆が不要な回路近くでグランドに接続。多層基板では、信号線が片面から他面へ移る際にグランドスルーホールを配置。

結論として、自動車PCB設計ルールは以下の表にまとめられます：

インダクタレイアウト	• インダクタ間隔を可能な限り大きくする • インダクタ整列を直角に設定
統合グランド	• リード下に統合グランドを配置
スルーホール	• 感度領域スルーホールにインダクタンスモジュール設定 • フィルタ/マッチングネットワークは独立スルーホール依存 • 薄いPCB銅はスルーホール寄生インダクタンス効果低減
グランドとフィリング	• 低インピーダンス連続グランド領域提供 • フィリング配線端子をグランド接続、スルーホールアレイ適用 • 銅被覆ラインをグランド接続

記事執筆：PCBCart編集者 Dora Yang、初出：Bodo's Power System Magazine 2017年8月号。

以下の記事もご興味があるかもしれません：
• 自動車用フレックスリジッドPCB特性
• 自動車回路設計でEMIを克服する5つのヒント
• 自動車電子産業における回路モジュールベースSMT半田付け信頼性研究
• 自動車PCBメーカー信頼性判断の5つの実証済み方法
• 自動車HDI PCBメーカー評価方法