Principes clés de conception PCB pour l'électronique automobile

Les éléments électroniques jouent un rôle de plus en plus actif dans l'automobile. Actuellement, un véhicule haut de gamme contient plus de 200 unités de contrôle électronique, dont capteurs et processeurs appliqués dans le poste de conduite. On peut conclure que la valeur des produits électroniques pour l'automobile réside dans le système dynamique, la carrosserie et le châssis, la majorité concernant la puissance numérique.

L'application de systèmes électroniques dans l'automobile vise à augmenter la performance, couvrant trois aspects :

• a. Amélioration de l'environnement : économie de carburant, réduction gaz d'échappement, transformation carburant (essence, gaz naturel, biocarburant) vers hybride et électrique pur. Les véhicules électriques deviennent ainsi une direction stratégique.
• b. Renforcement de la sécurité : réduction accidents, airbag, radar, caméra stéréo, surveillance infrarouge, évitement automatique, conduite autonome. Les véhicules autonomes attirent actuellement l'essentiel de l'attention et des investissements.
• c. Confort et commodité : audio, affichage vidéo, climatisation, ordinateur, communication mobile, internet, navigation, péage électronique.

En tant que colonne vertébrale des dispositifs électroniques, les PCB pour l'automobile doivent répondre aux exigences ci-dessus.

Exigences fondamentales pour PCB automobiles

• Exigence d'assurance qualité

Une exigence de base d'assurance qualité long terme pour fabricants ou distributeurs est un système de management de la qualité solide, soit ISO 9001 au niveau international. Du fait de la particularité de l'industrie automobile, trois grands constructeurs nord-américains ont co-établi en 1994 un système qualité spécifique : QS 9000. Au début du 21ᵉ siècle, un nouveau système d'administration qualité a été publié par les constructeurs mondiaux basé sur ISO 9001 : ISO/TS 16949.

Comme réglementation technique pour l'industrie automobile mondiale, ISO/TS 16949 intègre les exigences spéciales du secteur et se concentre sur la prévention des défauts, la fluctuation qualité et la réduction des déchets dans la chaîne d'approvisionnement des composants automobiles.

Par conséquent, le premier certificat que les fabricants PCB automobiles doivent obtenir est ISO/TS 16949 avant leur entrée réelle sur le marché auto.

• Exigence de base sur la performance

a. Haute fiabilité

La fiabilité automobile a 2 aspects : durée de vie pendant laquelle unités de contrôle et composants fonctionnent normalement ; résistance environnementale permettant aux unités et composants de bien se comporter en environnement extrême.

La durée de vie moyenne d'un véhicule est de 10 à 12 ans, pendant laquelle seuls composants ou pièces d'usure peuvent être remplacés. Les systèmes électroniques et PCB doivent donc avoir une durée de vie équivalente.

Les véhicules subissent climat et environnement : froid glacial, chaleur extrême, ensoleillement et pluie prolongés. S'ajoutent les changements environnementaux dus à la chaleur générée par les composants et systèmes électroniques en fonctionnement. Les systèmes et PCB automobiles doivent vaincre : température, humidité, pluie, fumée acide, vibrations, interférences électromagnétiques (EMI) et surtensions.

b. Légèreté et miniaturisation

Bénéfiques pour l'économie de carburant, résultant de la légèreté et miniaturisation de chaque composant et carte. Exemple : volume ECU (Electronic Control Unit) automobile était 1 200 cm³ au début du 21ᵉ siècle, réduit d'au moins 4 fois depuis. La légèreté et miniaturisation des PCB découlent de l'amélioration de densité, réduction de surface, finesse et multicouches.

Propriétés de performance des PCB automobiles

• Types multiples

En combinant dispositifs mécaniques et électroniques, les technologies véhicules modernes intègrent techniques traditionnelles et technologies scientifiques à jour. Différentes parties dépendent de dispositifs aux fonctions différentes, menant à l'application de PCB aux missions différentes.

Selon la distinction du matériau de substrat des PCB automobiles, on les classe en : PCB à base céramique inorganique et PCB à base résine organique. La propriété principale des PCB céramiques : haute résistance thermique et excellente stabilité dimensionnelle, applicables au système moteur en environnement hautement thermique. Cependant, ils ont une mauvaise fabricabilité, entraînant un coût élevé. Avec le développement de nouveaux substrats résine à résistance thermique accrue, les PCB à base résine sont majoritaires dans les véhicules modernes.

Règle générale : PCB avec matériaux de substrat aux performances différentes sont appliqués dans différentes sections du véhicule, responsables de fonctions différentes. Le tableau suivant montre le type PCB compatible avec une partie des dispositifs ou instruments du véhicule.

Dispositifs du véhicule	Types PCB
Compteur de vitesse ; climatisation	PCB simple/double face PCB flexible simple/double face
Autoradio ; moniteur	PCB double face PCB multicouche PCB flexible
Dispositifs communication auto ; appareils localisation sans fil ; système contrôle sécurité	PCB multicouche PCB HDI PCB flexible
Système moteur ; système contrôle transmission puissance	PCB à noyau métallique PCB rigide-flex
Contrôleur puissance véhicule ; dispositif navigation	PCB embarqué (embedded)

• Exigence de fiabilité des PCB selon sections du véhicule

En tant qu'outil de transport concernant la sécurité publique, les automobiles appartiennent aux produits à haute fiabilité. Outre les exigences ordinaires de dimensions, apparence et performance mécanique/électronique, une série de tests de fiabilité doit être implémentée.

a. Test de cyclage thermique (TCT)

5 niveaux selon les sections du véhicule. Le tableau ci-dessous résume les températures de cyclage pour PCB sur diverses sections :

Section véhicule	Niveau	Température basse	Température haute
Intérieur habitacle	A	-40 °C	85 °C
Sous châssis	B	-40 °C	125 °C
Au-dessus moteur	C	-40 °C	145 °C
Pièces transmission	D	-40 °C	155 °C
À l'intérieur moteur	E	-40 °C	165 °C

b. Test de choc thermique (TST)

Les PCB automobiles étant appliqués en environnement de chaleur extrême, c'est particulièrement défiant pour les PCB à cuivre épais qui subissent à la fois chaleur externe et chaleur propre. Une exigence plus élevée de résistance thermique est donc requise.

Pour participer au test de choc thermique, les PCB doivent être immergés dans de la pâte à souder à 260 °C ou 288 °C pendant 10 secondes, trois fois. Les PCB qualifiés ne présentent aucun problème : délamination, bosses, fissures de cuivre. Aujourd'hui, le brasage sans plomb avec température plus haute ajoute de la nécessité à ce test.

c. Test THB (Temperature-Humidity Bias)

Les PCB automobiles traversent de nombreux environnements dynamiques : pluie, humidité, nécessitant le test THB, capable aussi d'inspecter la mobilité CAF (Conductive Anodic Filament) du PCB. Le CAF se produit entre : vias adjacents, vias et pistes adjacentes, pistes adjacentes, couches adjacentes. L'isolativité diminue ou mène à des courts-circuits. La résistance d'isolement doit être déterminée par la distance entre vias, pistes et couches.

Caractéristiques de fabrication des PCB automobiles

• PCB haute fréquence

Similaires aux radars militaires, en radar de proximité, les systèmes anti-collision ou freinage d'urgence prédictif dépendent des PCB pour transmettre des signaux micro-ondes HF. Des substrats à faible perte diélectrique sont suggérés, le PTFE (polytétrafluoroéthylène) étant normalement utilisé. Différent du FR-4 ordinaire, le PTFE ou matériaux HF similaires exigent naturellement une fabricabilité distincte. Exemple : vitesse de perçage spéciale requise pour le perçage de vias.

• PCB cuivre épais (Heavy copper)

Les véhicules génèrent plus de chaleur par leur haute densité électronique et puissance. Avec l'essor des véhicules hybrides et tout-électriques, des systèmes de transmission de puissance avancés sont demandés, poussant les exigences de dissipation thermique et de courant plus élevé. Pour y parvenir, l'épaisseur de cuivre dans le PCB doit être augmentée ou des pistes cuivre et métal embarquées dans les PCB multicouches.

Fabriquer des PCB double face cuivre épais est facile ; multicouches cuivre épais est difficile. Le point clé : gravure graphique cuivre épais et remplissage d'espaces cuivre épais.

Le circuit interne de PCB multicouche cuivre épais est en cuivre épais. Le transfert de graphique nécessite un film épais à très haute résistance à la corrosion. Le temps de gravure doit être assez long ; l'équipement et les conditions techniques doivent rester optimaux pour assurer d'excellents circuits cuivre épais.

Puisqu'il y a une énorme différence entre le conducteur interne et la surface du substrat isolant, l'empilement ordinaire multicouche ne permet pas à la résine de remplir complètement, causant des cavités. Un préimprégné fin à haute teneur en résine est alors suggéré. Certains PCB multicouches ont des circuits internes avec épaisseurs de cuivre différentes ; différents prepreg peuvent être utilisés pour zones à grande et petite distinction.

• Embarquement de composants (Component embedment)

Les PCB à composants embarqués ont d'abord été appliqués dans les téléphones pour augmenter la densité d'assemblage et réduire la taille globale, ce qui est essentiel pour d'autres produits électroniques. C'est pourquoi la technologie d'embarquement est utilisée dans les dispositifs électroniques automobiles.

Selon les méthodes d'embarquement, il existe de nombreuses options de fabrication PCB embarqué :

• a. Rainure fraisée puis CMS assemblés par brasage à la vague ou pâte conductrice.
• b. CMS à film mince d'abord assemblés sur circuits internes par brasage à la vague.
• c. Composants à film épais imprimés sur base céramique.
• d. CMS assemblés par brasage à la vague puis résine pour encapsulation. Ce type est plus compatible avec les exigences véhicules : résistance chaleur, humidité, anti-choc, haute fiabilité.

• Technologie HDI

Similaires aux smartphones ou tablettes pour fonctions divertissement et communication, les véhicules nécessitent aussi des PCB HDI. Les technologies de perçage microvia, électroplacage et interconnexion doivent être appliquées aux PCB automobiles.

Considérations de conception PCB automobile

• Orientations des inductances

Quand deux inductances (ou même deux fils PCB) se rapprochent, une inductance mutuelle est générée. Le champ magnétique du courant dans un circuit (Circuit A) entraîne un courant dans l'autre (Circuit B). Processus similaire à l'effet mutuel entre primaire et secondaire d'un transformateur. La tension générée est déterminée par l'inductance mutuelle (L_M) : . Y_B : tension d'erreur entrée Circuit B ; I_A : courant Circuit A. L_M est très sensible à l'espacement, surface de boucle et direction de boucle.

Une méthode optimale pour arranger toutes les inductances : layout compact et réduction de l'équilibre de couplage.

La distribution de l'inductance mutuelle est liée à l'alignement des inductances. Modifier la direction du Circuit B rend sa boucle de courant parallèle aux lignes de champ du Circuit A. Pour cela, les inductances doivent être disposées verticalement, réduisant l'inductance mutuelle.

Règles de layout d'inductances pour PCB automobiles :

• a. Espacement inductances aussi grand que possible ;
• b. Alignement à angle droit pour minimiser le crosstalk.

• Couplage de pistes

Similaire à l'alignement d'inductances affectant le couplage magnétique, si les pistes sont proches, le couplage est affecté et une inductance mutuelle peut être générée. Le problème principal en circuit RF réside dans le layout de composants sensibles : réseau d'adaptation d'entrée, canal résonant récepteur, réseau d'adaptation d'antenne émetteur.

Le chemin de retour du courant doit être au plus près du chemin principal pour minimiser le champ de radiation, réduisant la surface de boucle. Le chemin de faible impédance optimal est normalement la zone de masse sous les pistes, limitant la surface de boucle à l'épaisseur diélectrique × longueur de piste. Si la zone de masse est coupée, la surface de boucle s'agrandit. Pour pistes traversant zone coupée, le courant de retour est forcé par un chemin haute impédance, augmentant fortement la surface de boucle. Ce layout rend aussi le circuit accessible à l'inductance mutuelle.

En résumé, une masse intégrée doit être assurée sous les pistes autant que possible, la zone de masse intégrée améliorant la performance du circuit.

• Via de masse (Grounding thru-hole)

Le principal problème du circuit RF est souvent la mauvaise impédance caractéristique des circuits, composants et interconnexions. Une couche de cuivre à faible épaisseur équivaut à un fil d'inductance. De plus, une capacitance distribuée peut se former par la combinaison entre couche de cuivre et pistes adjacentes. Quand les pistes traversent des trous traversants, caractéristiques d'inductance et capacitance apparaissent.

La capacitance du trou traversant provient principalement de la capacitance entre le cuivre au bord du pad du trou et le cuivre du bas. Un autre élément : le cylindre du trou métallique. La capacitance parasite a peu d'effet, se limitant à abaisser le front montant des signaux numériques haute vitesse.

Le plus grand effet des trous traversants est l'inductance parasite correspondante suscitée par l'interconnexion. Comme la majorité des trous métalliques ont la même dimension que les composants intégrés en conception PCB RF, cette formule estime l'effet : . L_VIA : inductance intégrée du trou ; h : hauteur via (pouce) ; d : diamètre via (pouce).

La conception doit donc suivre :

• a. Module d'inductance pour trous traversants en zone sensible ;
• b. Filtre ou réseau d'adaptation sur trous traversants indépendants ;
• c. Cuivre PCB plus fin réduit l'effet d'inductance parasite du trou.

• Masse et remplissage (Grounding and filling)

Le plan de masse ou d'alimentation définit une tension de référence commune alimentant tous les composants par chemin de faible impédance. Selon ce schéma, tous les champs électriques peuvent être équilibrés avec un excellent schéma de blindage.

Le courant continu circule toujours par chemin de faible impédance. De même, le courant HF suit le chemin de plus faible impédance dès la première minute. Pour pistes PCB standard au-dessus du plan de masse, le courant de retour essaie de circuler dans la zone de masse juste sous les pistes. Ensuite, une zone de masse coupée suscite toutes sortes de bruits, augmentant le crosstalk par couplage magnétique ou accumulation de courant. L'intégrité de la masse doit donc être assurée au maximum, sinon le courant de retour entraînera du crosstalk.

En plus, le remplissage de masse (filling ground), aussi appelé fil de protection, s'applique pour conception de circuits contenant zones où masse continue est difficile ou nécessitant blindage de circuits sensibles. Des vias de masse peuvent être positionnés aux bornes des fils ou le long pour augmenter l'effet de blindage. Les fils de protection ne peuvent être mélangés aux pistes conçues pour fournir le chemin de retour, ce qui créerait du crosstalk.

Quand une zone de cuivre n'est pas connectée à la masse ou connectée à une borne, sa validité diminue. Dans certains cas, une capacitance parasite est générée avec impédance ambiante modifiée ou chemin de potentiel formé entre circuits, menant à de mauvais effets. Simplement : si du cuivre doit être sur la carte, la même épaisseur de placage doit être maintenue.

Enfin, la zone de masse près de l'antenne doit être considérée. Toute monopôle considère la zone de masse, le routage et le trou traversant comme section d'équilibre du système ; un routage d'équilibre non-idéal affecte l'efficacité et la direction de rayonnement de l'antenne. La zone de masse ne doit donc PAS être placée directement sous l'antenne monopôle d'une carte.

En résumé, les principes de conception suivants pour masse et remplissage :

• a. Zone de masse continue à faible impédance fournie au maximum ;
• b. Deux bornes des fils de remplissage connectées à la masse avec réseau de trous traversants ;
• c. Lignes cuivrées connectées à la masse près du circuit autour duquel les revêtements cuivrés ne sont pas nécessaires. Pour PCB multicouches, un via de masse doit être placé quand les lignes de signal passent d'un côté à l'autre.

En conclusion, les règles de conception PCB automobile se résument dans le tableau suivant :

Layout inductances	• Espacement inductances aussi grand que possible ; • Alignement à angles droits ;
Masse intégrée	• Masse intégrée sous pistes ;
Trous traversants	• Module d'inductance pour trous en zone sensible ; • Filtre/réseau d'adaptation sur trous indépendants ; • Cuivre PCB plus fin réduit inductance parasite ;
Masse et remplissage	• Zone masse continue faible impédance ; • Bornes fils remplissage connectées à masse avec réseau trous ; • Lignes cuivrées connectées à masse ;

Article rédigé par l'éditeur PCBCart Dora Yang, publié pour la première fois dans Bodo's Power System Magazine, numéro d'août 2017.

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