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博世:电动汽车对PCB的要求

四月 14, 2021 | I-Connect007
博世:电动汽车对PCB的要求

Christian Klein

Bosch公司汽车电子产品分公司PCB部门经理

 

Nolan Johnson、Barry Matties和Happy Holden共同采访了Bosch公司汽车电子产品分公司PCB部门经理Christian Klein,深入探讨了最近Bosch发表的“电动汽车发展趋势对未来PCB的挑战”演讲。

Nolan Johnson我们注意到Bosch关于未来对PCB需求的演讲,你如何看待汽车行业对PCB制造提出的要求?你认为未来的前景如何? 

Christian Klein这取决于PCB的应用领域或使用概况。汽车行业有两大趋势:一是电动交通;二是互联汽车。这两种趋势需要不同的技术。例如,电动交通需要在温度高达160℃甚至更高、电流高达几百安培的条件下,在基板上集成功率元件,对此类PCB的要求难度极高。另一方面,电脑用PCB已经应用于消费品行业,它更像是图形卡或服务器,但还未应用于汽车行业。因此,我们必须区分使用概况以及对PCB的不同要求。共同点是,它们都需要在汽车环境中运行。 

Barry Matties在世界电子电路大会(ECWC)上的演讲提到了的未来需求,目前是否得到了满足? 

Klein目前这些要求正在被满足。如今,电动汽车仍经常使用基于陶瓷基板的电力电子产品。对于自动驾驶,其要求会增加,新的元件甚至需要比以前更复杂的HDI技术。计算机需要更高的数据传输速率,该技术指标每年都在增加。因此,我们不得不在未来的高速电子产品中使用其他材料,如具有适当Dk和Df值的极低损耗或超低损耗材料。这些材料通常更脆,不像传统材料那样具有稳固的抗微裂纹性能。考虑到已知的失效模式,如CAF或微裂纹,这可能是一个挑战。

在汽车环境中,温度循环和温度存储是重要的参数。但我们必须非常小心湿度。车辆的子系统总是以低功耗运行,在这些体系中可能存在电化学迁移。如果高速电子要使用这些新材料,那么必须非常小心。目前我们有解决方案,但对于带宽更大、频率更高的下一代产品,我们必须选择其他材料,这些材料必须经过鉴定,确认是否符合未来PCB的要求。 

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Matties谈到电化学迁移,你们是否在考虑改变清洗标准和要求? 

Klein清洗相当困难,问题是到目前为止没有公司能提供完美的清洗解决方案。组装后,一些焊膏残留物可能留在QFP和其他元件下方的小间隙中,很难完全清洗去除。裸板本身问题不大,生产后仍在PCB上的部分将在第一次回流时蒸发。此后,它取决于具体使用状况。如果设计师让外壳具有气密性并且能够气压补偿,那么温暖和潮湿的空气不会直接进入PCB,可以避免结露。清洗不是问题,因为我们可采用特有的控制装置设计避免这种结露。 

Matties你们在设计实际的PCB时,也要考虑这个因素? 

Klein是的,比PCB本身更重要的是外壳。可能在将来,不得不使用风扇从外部冷却电子设备,这将会改变应对方法。同时需要特定的元件或保护PCB的涂层。到目前为止,我们试图通过设计适当的电子产品外壳来避免这种情况。 

Happy Holden找到具有适当成本的适当材料,或者找到可以始终如一地生产出高质量产品的适当制造商,哪一个将是未来更大的挑战? 

Klein这是一个非常有趣的问题,因为汽车市场面临成本压力。我们必须谨慎选择能够以合理成本生产的技术,以便满足客户的购买能力。另一方面,解决方案必须非常稳健,因此不能总是采用尖端前沿技术。

至于材料和PCB制造商,必须有能够处理不同材料的适当PCB制造商。我们与PCB制造商一起讨论哪种材料可满足要求。

例如,想在PCB上组装碳化硅器件,并想在160℃或更高温度下运行PCB,那么就需要特定的材料,不能使用标准的FR-4。

如果在车里使用高频计算机,那么需要低损耗、低Df材料。这些材料已经上市,但直到现在,还没有全部完成针对汽车应用的鉴定。我们正在与基材供应商一起测试材料,并与PCB制造商一起审核结果。如你所见,我们正在和供应链一起选择材料。 

Holden我退休前是为汽车供应商Gentex工作,该公司负责满足宝马、奥迪、梅赛德斯、丰田和日产的质量要求。汽车用PCB比军用PCB的质量要求要高得多,且汽车用PCB必须是低成本的。在军用市场,质量要求高,价格也会相应提高,但汽车是高产量的。有一次,我接到一个电话,要为F-22战斗机提供PCB,我问他们:“你为什么打电话给我?我没有做过军用HDI。”他们说:“不,我们听说过也看到过你关于汽车HDI的论文。我们计划按照汽车用PCB的要求和质量生产F-22的PCB。”我说:“好吧,如果你的重点是达到汽车PCB质量要求,那么我可以帮你。”

Klein我听说过这件事。由于汽车使用寿命长、环境条件(包括温度和湿度)不同,市场上对汽车的要求往往最为苛刻。最重要的问题是温度循环、温度存储和湿度。 

Matties很有趣。当你们寻找PCB制造商时,什么最重要? Klein最重要的是PCB制造商能够以合理的成本水平提供所需质量的技术。Bosch和PCB制造商之间的长期战略必须相适应。由于汽车产品生命周期长,PCB制造商必须与我们合作若干年。从技术的角度来看,PCB制造商必须在质量、工艺和长期稳定性方面都非常优秀。他们必须有优秀的质量测量工具,整个生产过程必须得到很好的开发和记录,这样我们才能信任他们,保证在今天、明年或五年内得到具有同样质量的产品。这种持久性是限制我们采用最先进技术的原因。我们需要具有成本效益和非常强大的稳健技术。 

JohnsonChristian,在我看来,材料和技术是足够的,但并不理想。这个结论公正吗? 

Klein我想说,目前材料还可以,但我们在未来几年里面临很多技术变化。没有人能真正评估下一步会发生什么,因为技术的变化如此之快。电动交通有改变,服务器有改变,自动驾驶汽车也会有改变。我的判断是,在不久的将来,现有的材料就会出现问题。对于电力电子产品来说,比服务器要困难一些,因为在汽车环境中,不经常使用高达1000V的高温材料。这是汽车市场的特殊之处。现有材料能满足要求,最近也有新的开发成果,但在鉴定中。 

Johnson电子传感器在信息娱乐方面的材料选择上面临的挑战大,还是在车辆的电池管理动力传动系统方面更具挑战性? 

Klein我个人的感觉是,在电脑方面,这个行业里还有很多问题。对于THB要求、CAF和温度循环以及温度存储,现在我们可以选择符合汽车要求的材料。我认为更严重的边界条件是文章前面提及的功率器件。而汽车行业的新特点是尽量减少电力电子产品的箱体体积。一家大型PCB制造商表示:“能提供这种稳健的高压材料的企业将赢得竞争。”原因不仅是箱体体积更小,而且电感损耗也更低,这样可以更好地利用电池的能源,开关损耗更少。 

Johnson与材料供应商协调开发适当的材料,Bosch起了多大作用? 

Klein我们不仅与PCB制造商合作,也与基础材料供应商合作,共同鉴定,为新材料的研发提供重要投入。 

JohnsonChristian,你对基础设施方面有很多接触吗?我们已经讨论过车辆内的电子产品,我知道这是Bosch的主要焦点,但是给汽车供电是生态系统的关键部分。对此,你有什么见解? 

Klein我个人对此没有直接的见解。与汽车行业相比,电气基础设施本身是一个涉及其他技术的业务。当然,我和这个行业如火车供应商交换了一些意见。然而,他们使用的是完全不同的制造理念。组装通常不是完全自动化的,而且箱体的体积也大得多。 

Johnson我从新闻中看到,美国以及全球主要汽车制造商做出“2035年之前生产的汽车将全部为电动汽车”等承诺,在你看来,可以实现吗? 

Klein在Bosch,我们坚信电动交通的潜力。我们已经在电气动力传动系统上投资了50亿欧元,今年将再投资7亿欧元。目前,我们的动力传动系统电气化业务增长速度是市场的两倍。同时,我们正在快速跟踪电气化,进一步完善常规动力传动系统。目标是确保未来的交通能够减少对环境的影响,同时使普通民众能够负担得起。 

Matties最大的问题是充电周期吧?你可以在三四分钟内把车停进充电站,连接好充电线,但是要给电动自行车充满电,需要7个小时。 

Klein是的。我同意充电时间是必不可少的,关于这个问题已经取得了很大的进展。关键的一点是必须为这些充电站提供基础设施。目前在德国,混合动力汽车非常受欢迎,因为它们将城市的电气动力和传统的燃料动力结合了起来,也许在高速公路上可使用合成燃料。Bosch将物联网规则应用于这一挑战,解决方案如“云电池”,以帮助提高性能和延长使用寿命。 

Matties你刚才提到合成燃料,你认为这种方案现实吗? 

Klein实现气候目标需要的不仅仅是电能驱动。Bosch致力于使用可再生和合成燃料,以便现有车辆也能为减少二氧化碳作出重大贡献。秘密在于合成燃料或碳中性燃料,其制造过程可捕获CO₂。因此,温室气体成为一种原材料,可在可再生发电技术条件下用于生产汽油、柴油或天然气。

MattiesBosch是不是也在制造自主品牌的电池? 

Klein对Bosch来说,对电池技术的了解很重要。然而,在内部制造电池并不是我们在电动驱动领域取得成功的决定性因素。Bosch靠其系统专业知识,开发和制造电动动力系统的关键部件,如电机、电力电子产品和电池系统。 

JohnsonChristian,作为一名汽车和交通运输领域的工程师,你有什么技术上的担忧吗? 

Klein从质量的角度来看,最大的挑战是热带环境下的车内高电压和湿度。必须避免故障。必须把电子产品当作一个系统来对待,因为PCB制造并不能自己解决问题。作为一个例子,我们必须非常小心地结合细间距元件,如QFP04与相邻引脚上的高电压。其他材料之间的电化学相互作用也是一个相关因素。我们需要这些材料作为冷却电子产品的热界面。我们在高湿度下看到了新的高压效应。也许你了解标准的85℃/85相对湿度测试,实际上与现场无关,但在市场上用作指标测试。如果我们把这个测试和1000V电压结合起来,就会产生新的影响,我们必须避免,这将是电动交通面临的最大挑战之一。 

更多内容可点击这里查看,文章发表于《PCB007中国线上杂志》4月号,更多精彩原创内容,欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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#汽车电子  #博世  #供应商 


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