Die Anforderungen an Leiterplatten in elektronischen Systemen der Automobilindustrie (6) Sicherheits- und Überwachungssysteme

Einleitung

Sicherheits- und Überwachungssysteme bilden das schützende Rückgrat von Elektrofahrzeugen (EVs) und schützen direkt die Passagiere und erhöhen die Fahrzeugsicherheit. Zu diesen kritischen Systemen gehören Airbag-Steuergeräte (ACU), Reifendrucküberwachungssysteme (TPMS), Kollisionssensoren und Insassenerkennungseinheiten, die alle auf sofortige Reaktionsfähigkeit und unerschütterliche Zuverlässigkeit angewiesen sind. In sicherheitskritischen Anwendungen können selbst geringfügige Leiterplattenausfälle katastrophale Folgen haben, was außergewöhnlich strenge Standards für Leiterplattendesign und -herstellung erfordert. Dieser Artikel untersucht die speziellen Leiterplattenanforderungen, Fertigungsherausforderungen und neuen Trends in EV-Sicherheits- und Überwachungssystemen und hebt ihre Rolle bei der Gewährleistung sicherer Fahrerlebnisse hervor.

Systemübersicht

EV-Sicherheits- und Überwachungssysteme umfassen eine Reihe von Modulen, die jeweils so konzipiert sind, dass sie Gefahren erkennen und Schutzreaktionen auslösen:

• Airbag-Steuergerät (ACU): Fungiert als zentrale Drehscheibe für die Kollisionsreaktion und verarbeitet Daten von Beschleunigungsmessern und Aufprallsensoren, um Airbags innerhalb von Millisekunden nach einer Kollision auszulösen.

• Reifendrucküberwachungssystem (TPMS): Überwacht kontinuierlich Reifendruck und -temperatur und warnt den Fahrer vor Lecks oder Überdruck, um Reifenplatzer zu verhindern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.

• Kollisionssensoren: Werden im gesamten Fahrzeug (vorne, hinten und an den Seiten) eingesetzt, um Aufpralle oder potenzielle Kollisionen zu erkennen und Sicherheitsmaßnahmen wie Gurtstraffer oder Notbremsung auszulösen.

• Insassenerkennungseinheiten: Verwenden Gewichtssensoren und kapazitive Technologie, um die Anwesenheit und Position der Passagiere zu erkennen, die Airbag-Auslösekraft zu optimieren und unnötige Aktivierungen zu verhindern.

• Intelligente Türschlösser: Werden in Fahrzeugsicherheitssysteme integriert, um unbefugten Zugriff zu verhindern, und verwenden RFID- oder biometrische Sensoren für erhöhten Schutz.

Leiterplatten-Designanforderungen

Sicherheits- und Überwachungssystem-Leiterplatten müssen strenge Designkriterien erfüllen, um einen ausfallsicheren Betrieb zu gewährleisten:

1. Extreme Zuverlässigkeit

Sofortige Reaktionsfähigkeit ist in Sicherheitssystemen nicht verhandelbar und erfordert Leiterplatten, die für null Latenz ausgelegt sind:

• Reaktion im Millisekundenbereich: ACUs benötigen Leiterplatten mit minimalen Signalverzögerungen, um die Auslösung des Airbags innerhalb von 20–30 Millisekunden nach dem Aufprall sicherzustellen.

• Redundante kritische Pfade: Doppelte Leiterbahnen und Komponenten für wichtige Schaltkreise (z. B. Kollisionssensoreingänge) verhindern, dass Einzelpunktfehler das System deaktivieren.

2. Miniaturisierung

Raumbeschränkungen an Montageorten (z. B. Radkästen für TPMS, Türverkleidungen für Sensoren) treiben die Notwendigkeit für kompakte Designs an:

• Starr-Flex-Leiterplatten: TPMS- und Innenraumsensoren verwenden Starr-Flex-Substrate, um sich an enge Räume anzupassen, wobei starre Abschnitte für die Komponentenmontage mit flexiblen Abschnitten für Vibrationsbeständigkeit kombiniert werden.

• High-Density-Layouts: Miniaturisierte Komponenten (z. B. 01005-Gehäuse) und Feinraster-Routing ermöglichen komplexe Funktionalität in 巴掌大小的 Leiterplatten.

3. Geringer Stromverbrauch

Viele Überwachungssysteme (z. B. TPMS) sind auf Batterien angewiesen und erfordern Leiterplatten, die für Energieeffizienz optimiert sind:

• Integration von Komponenten mit geringem Stromverbrauch: Auswahl von Mikrocontrollern und Sensoren mit extrem niedrigem Standby-Strom, um die Batterielebensdauer zu verlängern (typischerweise 5–7 Jahre für TPMS).

• Energiemanagementschaltungen: Effiziente Spannungsregler und Schlafmodus-Funktionalität minimieren den Energieverbrauch während der Inaktivität.

Tabelle 1: Sicherheitsmodule & Leiterplattenanforderungen

Fertigungsherausforderungen

Die Herstellung von Leiterplatten für Sicherheitssysteme birgt einzigartige technische Hürden, die durch die Notwendigkeit der Zuverlässigkeit getrieben werden:

• Starr-Flex-Zuverlässigkeit: Flexible Abschnitte müssen >10.000 Flexzyklen ohne Leiterbahnrisse oder Leiterermüdung standhalten, was eine präzise Materialauswahl (z. B. Polyimid-Substrate) und kontrollierte Laminierungsprozesse erfordert.

• Montage miniaturisierter Komponenten: Das Löten von 01005-Gehäusen (0,4 mm × 0,2 mm) erfordert fortschrittliche SMT-Ausrüstung mit ±25 μm Platzierungsgenauigkeit, um Brückenbildung oder kalte Lötstellen zu vermeiden.

• Konformitätsprüfung: Leiterplatten müssen strenge Zertifizierungsstandards bestehen, einschließlich AEC-Q200 (für passive Komponenten) und ISO 26262 (funktionale Sicherheit), einschließlich Temperaturwechseltests, Feuchtigkeitstests und Vibrationsbelastungstests.

Tabelle 2: Leiterplatten-Zuverlässigkeitsstandards für Sicherheitssysteme

Zukünftige Trends

Fortschritte in der Sicherheitstechnologie treiben die Entwicklung im Leiterplattendesign für Überwachungssysteme voran:

• Sensorfusion: Integration von Daten von mehreren Sensoren (z. B. Kameras, Radar und Ultraschall) auf einer einzigen Leiterplatte, um die Genauigkeit der Gefahrenerkennung zu verbessern, erfordert Hochgeschwindigkeits-Datenbusse und fortschrittliche Signalverarbeitung.

• Drahtlose Sicherheitssysteme: Eliminierung von kabelgebundenen Verbindungen in TPMS und Kollisionssensoren durch Integration mit V2X-Kommunikationsmodulen (Vehicle-to-Everything), erfordert optimierte HF-Leistung und drahtlose Protokolle mit geringem Stromverbrauch.

• Ultra-zuverlässige Materialien: Einführung von Laminaten mit hohem Tg (≥180°C) und geringer Feuchtigkeitsaufnahme zur Verbesserung der Haltbarkeit in rauen Umgebungen, wodurch langfristige Ausfallrisiken reduziert werden.

Tabelle 3: Leiterplatten-Designparameter für Sicherheitsmodule

Schlussfolgerung

Sicherheits- und Überwachungssysteme stellen den höchsten Standard für die Leiterplattenzuverlässigkeit in EVs dar und erfordern Designs, die sofortige Reaktion, Miniaturisierung und die Einhaltung strenger Automobilstandards priorisieren. Von Starr-Flex-Leiterplatten, die kompakte TPMS-Module ermöglichen, bis hin zu redundanten Schaltkreisen, die die ACU-Funktionalität gewährleisten, sind diese Platinen entscheidend für den Insassenschutz. Mit dem Fortschritt der EV-Sicherheitstechnologie werden zukünftige Leiterplatten Sensorfusion, drahtlose Konnektivität und fortschrittliche Materialien integrieren und ihre Rolle als Grundlage der Automobilsicherheit weiter verbessern. Hersteller, die diese Technologien beherrschen, werden weiterhin den Maßstab für sichere Elektromobilität setzen.