Die Anforderungen an Leiterplatten in elektronischen Automobilsystemen (3) ADAS & Autonomes Fahren

Einleitung

Fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Technologien für autonomes Fahren verändern die Automobilindustrie und ermöglichen es Fahrzeugen, ihre Umgebung mit zunehmender Autonomie wahrzunehmen, zu analysieren und auf sie zu reagieren. Schlüsselmodule wie Millimeterwellenradar (24 GHz/77 GHz), LiDAR, Ultraschallsensoren und Kamerasysteme bilden das sensorische Netzwerk, das Funktionen wie adaptive Geschwindigkeitsregelung, Spurverlassenswarnung, automatisches Notbremsen und selbstständiges Einparken antreibt. Diese Systeme sind auf Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung angewiesen, wodurch das Leiterplattendesign zu einem entscheidenden Faktor für die Gewährleistung von Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Echtzeitleistung wird. Dieser Artikel untersucht die speziellen Anforderungen an Leiterplatten, die Herausforderungen bei der Herstellung und die aufkommenden Trends in ADAS- und Anwendungen für autonomes Fahren.

Systemübersicht

ADAS- und autonome Fahrsysteme integrieren mehrere Sensortechnologien, um einen umfassenden Rahmen für die Umgebungswahrnehmung zu schaffen:

• Radar (24 GHz/77 GHz): Arbeitet mit 24 GHz für die Nahbereichserkennung (z. B. Einparkhilfe) und mit 77 GHz für Fernbereichsanwendungen (z. B. Autobahn-Tempomat) und erkennt Objektabstand, -geschwindigkeit und -richtung.

• LiDAR: Verwendet Laserimpulse (905–1550 nm Wellenlänge), um 3D-Punktwolken der Umgebung zu erzeugen, was eine präzise Kartierung von Hindernissen und Gelände ermöglicht.

• Ultraschallsensoren: Bieten Nahbereichserkennung (typischerweise <5 m) für Langsamfahrszenarien wie das Einparken und nutzen Schallwellen zur Messung von Entfernungen.

• Kameras: Erfassen visuelle Daten für die Erkennung von Fahrbahnmarkierungen, die Erkennung von Verkehrszeichen und die Identifizierung von Fußgängern und erfordern hochauflösende Bildgebung und schnelle Datenverarbeitung.

Anforderungen an das Leiterplattendesign

ADAS- und autonome Fahrsystem-Leiterplatten müssen einzigartige technische Anforderungen erfüllen, um den Hochleistungsbetrieb von Sensoren zu unterstützen:

1. Hochfrequenz-Signalintegrität

Hochfrequenzsensoren (z. B. 77-GHz-Radar) erfordern Leiterplatten, die für minimalen Signalverlust und präzise Übertragung optimiert sind:

• Verlustarme Materialien: Laminate wie Rogers RO4000, Megtron 6 und Tachyon werden aufgrund ihrer niedrigen Dielektrizitätskonstante (Dk) und ihres Verlustfaktors (Df) bevorzugt, wodurch die Signaldämpfung bei hohen Frequenzen minimiert wird.

• Strenge Impedanzkontrolle: Die Aufrechterhaltung der Impedanz innerhalb einer Toleranz von ±5 % ist für Hochgeschwindigkeitsdatenpfade von entscheidender Bedeutung und gewährleistet die Signalintegrität über Radar-Transceiver und LiDAR-Steuerschaltungen hinweg.

• Kontrolliertes Routing: Kurze, direkte Leiterbahnen mit gleichmäßiger Geometrie reduzieren Reflexionen und Übersprechen, was für 77-GHz-Radar und Multi-Gigabit-Kameraschnittstellen unerlässlich ist.

2. Miniaturisierung

Raumbeschränkungen an den Fahrzeugmontageorten (z. B. Stoßstangen, Spiegel, Dach) treiben die Notwendigkeit für kompakte Leiterplattendesigns an:

• 6–10-Lagen-Aufbauten: Mehrschichtstrukturen maximieren die Bauteildichte, während Strom-, Masse- und Signalebenen getrennt werden, um Interferenzen zu reduzieren.

• Feinraster-Bauteile: Die Integration von ICs und passiven Bauelementen mit kleinem Footprint (z. B. 0402 oder kleinere Gehäuse) ermöglicht eine höhere Funktionalität auf begrenztem Raum.

3. Umweltbeständigkeit

Sensoren, die extern oder in rauen Fahrzeugumgebungen montiert werden, erfordern einen robusten Leiterplattenschutz:

• Wasserdichtes und staubdichtes Design: Konforme Beschichtungen und abgedichtete Gehäuse verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz, was für Unterstoßstangenradar und Außenkameras von entscheidender Bedeutung ist.

• UV-Beständigkeit: Leiterplatten für dachmontiertes LiDAR oder Windschutzscheibenkameras müssen einer längeren Sonneneinstrahlung ohne Materialabbau standhalten.

Tabelle 1: ADAS-Sensorfrequenz & Leiterplattenmaterialanforderungen

Herausforderungen bei der Herstellung

Die Herstellung von Leiterplatten für ADAS-Systeme erfordert Präzisionstechnik, um die Anforderungen an Hochfrequenz und Zuverlässigkeit zu erfüllen:

• Ätzen von Mikrowellen-Leiterplatten: Radarantennen erfordern eine ultrapräzise Linienbreitenkontrolle (±0,02 mm), um Strahlungsmuster und Frequenzgang aufrechtzuerhalten, was herkömmliche Ätzverfahren erschwert.

• Laminierung von Mischmaterialien: Hybrid-Leiterplatten, die FR-4 mit PTFE- oder Keramiksubstraten (für LiDAR und Radar) kombinieren, erfordern eine strenge Kontrolle von Laminierungsdruck und -temperatur, um Delamination zu verhindern und gleichmäßige dielektrische Eigenschaften zu gewährleisten.

• Hochgeschwindigkeitsdaten-Routing: Schnittstellen wie USB, Ethernet und MIPI D-PHY erfordern eine strenge Impedanzanpassung und Differentialpaar-Routing mit minimaler Schräglage, um Multi-Gigabit-Datenraten von Kameras und Sensoren zu unterstützen.

Tabelle 2: Leiterplattentoleranzen für Hochfrequenz-ADAS-Boards

Zukünftige Trends

Da das autonome Fahren höhere Stufen (L3+) erreicht, wird sich das Leiterplattendesign weiterentwickeln, um komplexere Sensorfusion und Rechenanforderungen zu unterstützen:

• Integration mit KI-Prozessoren: Hochleistungs-GPUs und neuronale Verarbeitungseinheiten (NPUs) werden direkt auf Sensor-Leiterplatten integriert, wodurch Echtzeit-Datenanalyse ermöglicht und die Latenz bei der Objekterkennung reduziert wird.

• Sensorfusionsmodule: Die Kombination von Radar-, LiDAR- und Kameraschnittstellen auf einer einzigen Leiterplatte rationalisiert die Datenerfassung und erfordert fortschrittliche Signalisolierungs- und Synchronisationstechniken.

• Hochgeschwindigkeitsschnittstellen: Die Einführung von PCIe Gen4/5 und 10G Ethernet ermöglicht eine schnellere Datenübertragung zwischen Sensoren und zentralen Recheneinheiten und erfordert verlustarme Materialien und optimiertes Differentialpaar-Routing.

Tabelle 3: ADAS-Modul-Leiterplattenebene

Schlussfolgerung

ADAS- und autonome Fahrsysteme stellen beispiellose Anforderungen an das Leiterplattendesign und erfordern Hochfrequenzleistung, Miniaturisierung und Umweltverträglichkeit. Da Sensoren mit immer höheren Frequenzen und Datenraten arbeiten, sind Leiterplattenmaterialien, Fertigungspräzision und Layoutoptimierung für die Fahrzeugsicherheit und -autonomie von entscheidender Bedeutung geworden. Mit dem Fortschritt der Branche in Richtung vollständiger Autonomie werden sich Leiterplatten weiterentwickeln und KI-Verarbeitung, Multi-Sensor-Fusion und ultraschnelle Schnittstellen integrieren, um die nächste Generation intelligenter Fahrtechnologien zu ermöglichen.