Desky plošných spojů pro automobilový průmysl

Nové automobily používají stále více řídících jednotek. Zatímco průměrně vybavené auto vyrobené po roce 1980 mělo zhruba 20 řídících jednotek, dnes má průměrně vybavený automobil přes 200 řídících jednotek. U moderních automobilů kvůli tomuto trendu roste závislost na deskách plošných spojů. Jelikož desky plošných spojů složí jako nervové centrum moderních automobilů, je nutné brát ohled na bezpečnostní normy. Předpokládá se, že s dalším vývojem bude spotřeba desek plošných spojů pro automobilový průmysl dále růst.V tomto článku si vysvětlíme požadavky pro desky plošných spojů pro automobilový průmysl, uvedeme si zde normy pro PCB pro automobilový průmysl a řekneme si, proč je vhodné použít desky plošných spojů s certifikací AS9100D i pro automobilový průmysl.

Specifické požadavky a normy pro desky plošných spojů pro automobilový průmysl

Integrace elektroniky do automobilů přinesla spoustu výzev pro návrhy PCB. Kvalita, přesnost a malé rozměry se staly prioritou v návrhu PCB pro automobilový průmysl. Není překvapením, že návrh, výroba a funkčnost PCB pro automobilový průmysl se řídí specifickými požadavky s přísnými normami. Porozumění těchto norem je základním předpokladem pro zajištění bezpečnosti, spolehlivosti a optimálního výkonu vozidel.

Jaké normy upravují PCB pro automobilový průmysl?

• Normy AEC-Q100 až AEC-Q200: Tyto normy se týkají různých aspektů, od kvalifikace elektronických součástek až po požadavky na zátěžové testy, kterým se musí podrobit. AEC-Q200 se týká pasivních součástek a AEC-Q100 se týká integrovaných obvodů. Normy AEC-Q100 až AEC-Q200 stanovují jednotné protokoly pro testování elektronických součástek používaných v automobilovém průmyslu. V automobilovém průmyslu je dodržování těchto norem nezbytné a zároveň zaručují spolehlivost v náročném automobilovém prostředí.

• ISO 26262: Tato norma byla vyvinuta za účelem řízení potencionálních nebezpečí v kontextu elektronických/elektrických systémů v automobilovém průmyslu a nastiňuje komplexní rámec pro navrhování a ověřování systémů kritických z hlediska bezpečnosti. ISO 26262 zároveň upravuje celý životní cyklus výrobku, od koncepce až po vyřazení z provozu. Dodržování podmínek normy ISO 26262 zajišťuje, že PCB pro automobilový průmysl procházejí důkladnou bezpečnostní analýzou, která identifikuje potencionální nebezpečí a zavádí opatření ke zmírnění rizik.

• IPC-6012DA: Součást norem IPC (Association Connecting Electronics Industries). Věnuje se kvalifikačním a výkonnostním specifikacím pro PCB v automobilovém průmyslu. Norma specifikuje požadavky na základní materiály, rozměry vodivých vzorků, povrchové úpravy a další kritické aspekty výroby PCB. Dodržování této normy zajišťuje, že desky plošných spojů pro automobilový průmysl splňují uznávaná měřítka spolehlivosti, trvanlivosti a konzistence. Norma minimalizuje pravděpodobnost poruch v reálných provozních podmínkách.

Nad rámec těchto tří norem stojí za zvážení použití PCB s certifikací AS9100D. Tato norma specifikuje Quality Management System požadavky pro společnosti, které navrhují, vyvíjejí nebo vyrábějí letecké, kosmické a obranné produkty. Díky tomu tato norma zahrnuje nejenom požadavky pro normu ISO 9001, ale také identifikuje požadavky navíc pro letecký, kosmický a obranný průmysl. To zahrnuje například doplnění informací o nakládání s padělanými díly, pozornost věnovanou lidskému faktoru kvality výroby, zaměření na bezpečnost výrobků, etické školení a procesní přístup včetně metod řízení SIPOC a PDCA, myšlení založeného na rizicích a sledování výkonnosti dodávek od dodavatelů. Použití PCB s certifikací AS9100D je vhodné například u bezpečnostních asistentů.

Environmentální vlivy v automobilovém prostředí

Na PCB pro automobilový průmysl působí několik důležitých vlivů. Budeme se bavit o zajištění odolnosti a spolehlivosti v extrémních podmínkách, vliv tepelného managementu na výběr materiálu a o kolísání teplot, vibracích a otřesech. Každý z těchto vlivů může výrazně ovlivnit kvalitu a výslednou funkčnost desky plošných spojů pro automobilový průmysl.

1. Odolnost a spolehlivost v extrémních podmínkách.
   To, že jsou PCB v automobilech vystaveny extrémním podmínkám, není nic překvapivého. Pro zachování poptávané odolnosti a spolehlivosti je nutné zvolit specifický přístup jak při návrhu, tak při následné výrobě. Konstruktéři by měli brát v úvahu zvýšené vibrace a nárazy, tepelné výkyvy. To znamená zahrnutí zesílené konstrukce, inovativní tepelná řešení a další. Ani důkladné testování by inženýři neměli zanedbávat, naopak by mělo takové testování zahrnovat testování teplotních cyklů, vibračních testů apod.

2. Kolísání teplot, vibrace a otřesy.
    Spalující horko od zahřátého motoru po mrazivý chlad na horách. V zimním období běžný jev u automobilů. Tyto vlivy mohou ovlivnit výkon a strukturální integritu PCB. Neustálé otřesy a vibrace pak riziko poškození PCB ještě více zvyšují. Řešení těchto faktorů je klíčové pro spolehlivost PCB v automobilech.

3. Tepelný management a výběr materiálu pro PCB.
   Výběr správného materiálu pro PCB v automobilech je důležitý krok k dosažení spolehlivé desky plošných spojů. Požadavky na materiál pro tokovou desku plošných spojů jsou určitě nízká absorpce vlhkosti, vysoká teplotní vodivost a schopnost odolávat extrémním teplotám. Mimo výběru správného materiálu pro PCB je stejně kritický tepelný management. Ten musí být u takových desek co nejlepší. Přehřívání může negativně ovlivnit funkčnost a životnost elektronických součástek. Správný výběr materiálu desky a účinné řešení tepelného managementu výrazně přispějí k odolnosti PCB vůči nepříznivým vlivům prostředí.

V momentě, kdy máte PCB vhodnou pro použití v automobilech je potřeba takovou desku vhodně vyrobit. U desek plošných spojů s certifikací AS9100D se problémů s kvalitou ale nemusíte obávat.
 

Elektromagnetická kompatibilita (EMC) a rušení (EMI) PCB

Ve stále více propojeném a elektronickém prostředí moderních vozidel je bezproblémová integrace různých elektronických součástí prvořadá. Prvky, například snímače, řídící jednotky (ECU) a další, které jsou závislé na deskách plošných spojů, spolu musí bezproblémově koexistovat tak, aby bylo zajištěno správné fungování vozidla. Nutnost bezproblémové integrace zdůrazňuje důležitost řešení otázek elektromagnetické kompatibility (EMC). EMC zajišťuje, že množství elektronických systémů ve vozidle může pracovat současně, aniž by docházelo ke škodlivému rušení.

Dodržování norem EMC je zásadním prvkem prevence elektromagnetického rušení (EMI), které může narušit provoz elektronických systémů ve vozidle. K EMI dochází, když nežádoucí elektromagnetické signály ruší normální fungování elektronických součástí. Dodržování norem EMC stanovuje směrnice a limity pro elektromagnetické emise a citlivost a vytváří rámec pro kompatibilitu různých systémů vozidla. Tato shoda zabraňuje nejen vzájemnému rušení vnitřních součástí, ale chrání také před vnějšími zdroji rušení, jako jsou rádiové frekvence nebo jiná elektronická zařízení ve vozidle.

 

Opatření pro desky plošky spojů užitých v automobilech:

• Prevence přeslechů: K zajištění shody se používají metody kontroly, které minimalizují přeslechy mezi různými částmi desky plošných spojů.
   
• Požadavky na odolnost: Dosažení shody se týká také odolnosti PCB vůči vnějšímu elektromagnetickému rušení. Díky tomuto faktoru, mohou desky plošných spojů efektivně fungovat i v přítomnosti elektromagnetického rušení z vnějších zdrojů.
   
• Kontrola emisí: Normy EMC specifikují přijatelné limity pro elektromagnetické emise z elektronických součástek. Dodržení předpisů zajišťuje, že desky plošných spojů nevysílají signály, které by mohly rušit jiné systémy.
   
• Stínění a uzemnění: Zavedení účinných technik stínění a uzemnění podle norem má zásadní význam pro funkčnost PCB. Správně navržené kryty a uzemňovací schémata pomáhají omezit elektromagnetické emise a zvyšují odolnost proti vnějšímu rušení.

Materiál a dodržování předpisů pro PCB v automobilovém průmyslu

Jelikož je výběr materiálu PCB pro využití v automobilovém průmyslu velmi důležitý, je nutné brát v potaz  víc aspektů.
 

Jak musíme přemýšlet o výběru materiálu:

• Mechanická pevnost: Díky častým vibracím a nárazům by materiály měly  mít vysokou mechanickou pevnost, aby těmto vlivům odolaly.
   
• Dielektrické vlastnosti: Spolehlivost elektronické komunikace ve vozidle zajistí materiály se stabilními dielektrickými vlastnostmi.
   
• Tepelná vodivost: Materiály s vysokou tepelnou vodivostí pomáhají účinně odvádět teplo, zabraňují přehřívání a zajišťují dlouhou životnost elektronických součástek.
   
• Teplotní odolnost: Široký rozsah teplot umí desky plošných spojů, které jsou používány v automobilovém průmyslu, velmi zatížit. Zvolený materiál by měl být schopen těmto výkyvům odolávat.
   
• Odolnost proti vlhkosti: Vzhledem k vlhkosti, která se u automobilů může vyskytovat, je nutné výběr materiálu uzpůsobit tomuto vlivu. Nízká míra absorpce vlhkosti je zásadní pro zabránění zhoršení stavu a zachování integrity PCB v průběhu času.
  
  
   

Environmentální předpisy jsou důležité pro bezpečnost a udržitelnost

Dodržování environmentálních předpisů by nemělo vycházet pouze ze zákonné povinnosti. Každý udržitelný podnik by měl tyto předpisy dodržovat dobrovolně, protože je to důležitým bodem podpory bezpečnosti, ochrany životního prostředí a  udržitelnosti v automobilovém elektroprůmyslu.

• Soulad s RoHS: V elektronických výrobcích se dříve nacházeli materiály, jako je rtuť, olovo, kadmium a některé zpomalovače hoření. Tyto materiály omezila směrnice RoHS (Restriction of Hazardous Substances). Desky plošných spojů pro automobilový průmysl jsou povinny tuto směrnici splňovat. Díky tomu došlo k snížení dopadu na životní prostředí, zvýšila se bezpečnost a dosáhlo se souladu s globálními ekologickými normami.
   
• Bezpečnostní předpisy: Na automobilový průmysl se mohou vztahovat i další bezpečnostní předpisy kromě RoHS vycházející z legislativy regionu. Dodržování těchto předpisů zajišťuje, že materiály používané při výrobě PCB splňují specifické bezpečnostní normy, čímž se snižují rizika spojená s toxickými látkami ve výrobním prostředí a následném využívání vozidla.
   
• Postupy udržitelnosti: Kromě dodržování předpisů podporuje začlenění udržitelných postupů do výběru materiálů výrobu šetrnou k životnímu prostředí.

I k naplnění tohoto bodu pomůžou desky plošných spojů s certifikací AS9100D, u kterých se na kvalitu materiálu dbá ještě víc než u běžných desek plošných spojů.

Přísné protokoly pro testování desek plošných spojů pro automobilový průmysl

Simulujte reálné podmínky pro zajištění dlouhodobé spolehlivosti

Teplotní cyklická simulace:

Účel: Deska plošných spojů se vystaví opakovaným cyklům teplotních změn, které simulují extrémní tepelné podmínky v reálním automobilovém prostředí. Tato zkouška má zásadní význam pro posouzení schopnosti desek plošných spojů odolávat teplotním výkyvům bez narušení funkčnosti nebo strukturální integrity.

Provedení: PCB je vystavena střídavým cyklům vysokých teplot, obvykle v rozmezí -40 °C a 125 °C nebo vyšším. Počet cyklů a rychlost změny teploty závisí na konkrétních požadavcích a normativních předpisech.

Teplotní šok:

Účel: Reakce desky plošných spojů na náhlé drastické změny teploty, které napodobují podmínky, jako je rychlé ochlazení nebo zahřátí během provozu vozidla. Pokud deska úspěšně dokončí tento test, znamená to to, že takové PCB vydrží náhle změny teploty, aniž by došlo k jejímu selhání.

Provedení: DPS je podrobena rychlým přechodům mezi extrémně vysokými a nízkými teplotami. Tento proces vyhodnocuje vliv tepelného namáhání na materiál a pájecí spoje odhaluje případné slabiny.

Testování vibrací:

Účel: Tato zkouška simuluje mechanické vibrace a otřesy, které se vyskytují při provozu vozidla. Cílem je identifikovat a následně eliminovat slabá místa v konstrukci nebo výrobě, která mohou vést k poruchám při vibračním namáhání.

Provedení: DPS je vystavena řízeným úrovním vibrací, které napodobují podmínky v pohybujícím se vozidle. Při testování se hodnotí integrita pájecích spojů, součástek a celková odolnost konstrukce.
 

Další testované vlastnosti u desek plošných spojů:

• Životnost součástek osazených desek: Výrobce sice může odhadnout životnost součástek a pájecích spojů díky tepelnému namáhání a vibracím. Ale vystavením testu u prototypových desek se čas odolnosti zaručí. Pro velkokapacitní sériovou výrobu při potřebě dlouhé životnosti a spolehlivosti výrobku se takové testování vyplatí.
   
• Odolnost při zátěži: Zkušební protokoly prokazují, že desky plošných spojů pro automobilový průmysl vydrží dlouhodobé vystavení extrémním teplotám, tepelným cyklům a mechanickým vibracím, aniž by byla ohrožena jejich funkčnost.
   
• Analýza způsobu poruch: Zjistit způsoby selhání a slabá místa může výrobcům výrazně pomoci s prováděním informovaných vylepšení návrhu a zmírňovat potencionální problémy před zahájením sériové výroby.
   
• Zajištění kvality: Nasimulováním reálných podmínek docílíme toho, že se do automobilů dostanou pouze kvalitně vyrobené a spolehlivé desky plošných spojů.

Přísné testování desek plošných spojů pro automobilový průmysl je důkazem, že odolnost a dlouhodobá spolehlivost jsou primárními cíli v automobilovém průmyslu. Chcete-li docílit kvalitně vyrobené PCB pro automobilové aplikace, nechte si vyrobit desku plošných spojů s certifikací AS9100D.
Desky pro letecký, kosmický a obranný průmysl musí splňovat ještě náročnější podmínky, je proto nutné dodržovat při jejich výrobě přísnější podmínky. Takto kvalitně vyrobené desky plošných spojů využijete i v automobilovém průmyslu.

Potřeba dlouhodobé dostupnosti a sledovatelnosti desek plošných spojů

Automobily bývají v provozu výrazně déle přes deset let. Pro údržbu takových vozidel je zásadní dostupnost náhradních dílů, včetně desek plošných spojů. Kromě údržby, je další důležitým důvodem pro dlouhodobou dostupnost náhradních dílů modernizace a spolehlivost po celou dobu životnosti vozidla.

Jak zajistit dlouhodobou dostupnost polotovarů?

Spolupráce s dodavateli je závislá na otevřené komunikaci. Pomáhá tak předvídat potenciální problémy související s dostupností, díky čemuž lze zajistit proaktivní opatření jako například zajištění alternativ nebo zřízení zásoby kritických součástek.
Při návrhu desek plošných spojů myslete dopředu tak, aby deska umožnila montáž alternativních nebo kompatibilních součástí. Tím zajistíte kontinuální dodavatelský řetězec i s vývojem technologií.

Vybírejte takové dodavatele, kteří jsou schopni zajistit dodávku součástek po delší dobu. Tento bod zahrnuje i výběr materiálu a technologií s dlouhodobou dostupností a minimalizací závislosti na těch, které jsou náchylné k zastarávání. V případě potřeby vše zpečeťte smluvním vztahem.

Jak zajistit sledovatelnost PCB?

Dbejte na dodržování předpisů. Přísné regulační požadavky ovlivňují automobilový průmysl. Aby bylo možné prokázat shodu s normami, je nutné zajistit sledovatelnost. Sledovatelnost zároveň umožňuje výrobcům poskytnout podrobnou dokumentaci pro audity a certifikace.

Při komplexním řízení životního cyklu výrobku je nutná sledovatelnost, protože lze díky ní sledovat výkonnost součástí, předvídat potřeby údržby a plánovat modernizaci nebo výměnu součástí.

Každou součást je nutné vysledovat až k její výrobní šarži, čímž usnadníme účinnou kontrolu kvality. To nám zajistí sledovatelnost. V momentě, kdy vznikne závada nebo jiný problém, pomáhá sledovatelnost identifikovat hlavní příčinu, a díky tomu umožňuje cílené zlepšení výrobního procesu. Sledování zajistí sériová čísla nebo čárové kódy, které jsou skvělé typy identifikátorů pro desky plošných spojů. Díky těmto identifikátorům lze PCB sledovat po celou dobu jejího životního cyklu.

Sledovatelnost pomáhá výrobcům a poskytovatelům služeb rychle identifikovat dotčené součásti a přijmout nápravná opatření, čímž se minimalizují prostoje a zajistí bezpečnost vozidel. Komplexní sledovatelnost zajistíte pouze tehdy, pokud budete udržovat podrobné záznamy o výrobních údajích, výsledcích testování a všech úpravách, které byly na desce plošných spojů udělány po výrobě, třeba pomocí informačního firemního systému. Platformy pro kolaboraci, které se integrují s partnery dodavatelského řetězce, umožňují sledování a sledovatelnost v reálném čase v celém výrobním řetězci.

Závěrem

Automobilový průmysl prochází velmi rozsáhlou transformací, která klade důraz na kvalitu desek plošných spojů ještě víc než kdy předtím. Už jen proto, že  jeden současný  automobil tvoří přibližně 200 elektronických řídicích jednotek, což čítá 10 000 desek plošných spojů, na které musí být spoleh.

Bezpečnost, spolehlivost a konzistentní výkon v dynamickém prostředí automobilového průmyslu zajišťují normy ISO 26262, IPC-6012DA a AEC-Q100 až AEC-Q200. Nad rámec těchto norem je vhodné použít desky plošných spojů s certifikací AS9100D. Všechny tyto normy  hlídají maximální kvalitu výroby a maximální kvalitu výsledné desky plošných spojů.