자동차 전자 시스템(3) ADAS & 자율 주행의 인쇄 회로 기판 요구 사항

서론

첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 및 자율 주행 기술은 자동차 산업을 재편하고 있으며, 차량이 주변 환경을 인식, 분석하고 자율성을 높여 대응할 수 있도록 합니다. 밀리미터파 레이더(24GHz/77GHz), LiDAR, 초음파 센서 및 카메라 시스템과 같은 주요 모듈은 적응형 크루즈 컨트롤, 차선 이탈 경고, 자동 비상 제동 및 자동 주차와 같은 기능을 지원하는 감각 네트워크를 형성합니다. 이러한 시스템은 고주파, 고속 데이터 전송에 의존하므로 PCB 설계는 정확성, 신뢰성 및 실시간 성능을 보장하는 데 중요한 요소입니다. 이 기사에서는 ADAS 및 자율 주행 애플리케이션의 특수 PCB 요구 사항, 제조 과제 및 새로운 트렌드를 살펴봅니다.

시스템 개요

ADAS 및 자율 주행 시스템은 여러 센서 기술을 통합하여 포괄적인 환경 인식 프레임워크를 만듭니다.

• 레이더(24GHz/77GHz): 단거리 감지(예: 주차 지원)를 위해 24GHz에서 작동하고 장거리 애플리케이션(예: 고속도로 크루즈 컨트롤)을 위해 77GHz에서 작동하며, 물체의 거리, 속도 및 방향을 감지합니다.

• LiDAR: 주변 환경의 3D 포인트 클라우드를 생성하기 위해 레이저 펄스(905–1550nm 파장)를 사용하여 장애물 및 지형의 정밀한 매핑을 가능하게 합니다.

• 초음파 센서: 음파를 활용하여 거리를 측정하여 주차와 같은 저속 시나리오에서 단거리 물체 감지(일반적으로 <5m)를 제공합니다.

• 카메라: 차선 표시 인식, 교통 표지 감지 및 보행자 식별을 위한 시각 데이터를 캡처하며, 고해상도 이미징 및 빠른 데이터 처리가 필요합니다.

PCB 설계 요구 사항

ADAS 및 자율 주행 PCB는 고성능 센서 작동을 지원하기 위해 고유한 기술적 요구 사항을 충족해야 합니다.

1. 고주파 신호 무결성

고주파 센서(예: 77GHz 레이더)는 최소 신호 손실 및 정밀한 전송을 위해 최적화된 PCB가 필요합니다.

• 저손실 재료: Rogers RO4000, Megtron 6 및 Tachyon과 같은 라미네이트는 낮은 유전 상수(Dk) 및 손실 계수(Df)로 인해 고주파에서 신호 감쇠를 최소화하므로 선호됩니다.

• 엄격한 임피던스 제어: ±5% 공차 내에서 임피던스를 유지하는 것은 고속 데이터 경로에 매우 중요하며, 레이더 트랜시버 및 LiDAR 제어 회로에서 신호 무결성을 보장합니다.

• 제어된 라우팅: 일관된 형상의 짧고 직접적인 트레이스 경로는 반사 및 누화를 줄여 77GHz 레이더 및 멀티 기가비트 카메라 인터페이스에 필수적입니다.

2. 소형화

차량 장착 위치(예: 범퍼, 거울, 지붕)의 공간 제약으로 인해 소형 PCB 설계가 필요합니다.

• 6–10 레이어 스택업: 다층 구조는 전력, 접지 및 신호 레이어를 분리하여 간섭을 줄이면서 구성 요소 밀도를 최대화합니다.

• 미세 피치 구성 요소: 소형 풋프린트 IC 및 수동 구성 요소(예: 0402 또는 더 작은 패키지)의 통합은 제한된 공간에서 더 높은 기능을 가능하게 합니다.

3. 환경 저항

외부 또는 가혹한 차량 환경에 장착된 센서는 견고한 PCB 보호가 필요합니다.

• 방수 및 방진 설계: 컨포멀 코팅 및 밀폐된 인클로저는 습기 및 이물질 유입을 방지하며, 언더 범퍼 레이더 및 외부 카메라에 중요합니다.

• UV 저항: 지붕 장착형 LiDAR 또는 윈드실드 카메라용 PCB는 재료 열화 없이 장기간의 햇빛 노출을 견뎌야 합니다.

표 1: ADAS 센서 주파수 및 PCB 재료 요구 사항

제조 과제

ADAS 시스템용 PCB 생산에는 고주파 및 신뢰성 요구 사항을 충족하기 위한 정밀 엔지니어링이 필요합니다.

• 마이크로파 PCB 에칭: 레이더 안테나는 방사 패턴 및 주파수 응답을 유지하기 위해 초정밀 선폭 제어(±0.02mm)가 필요하며, 이는 기존 에칭 공정을 어렵게 만듭니다.

• 혼합 재료 라미네이션: FR-4와 PTFE 또는 세라믹 기판(LiDAR 및 레이더용)을 결합한 하이브리드 PCB는 박리 방지 및 균일한 유전 특성을 보장하기 위해 라미네이션 압력 및 온도를 엄격하게 제어해야 합니다.

• 고속 데이터 라우팅: USB, 이더넷 및 MIPI D-PHY와 같은 인터페이스는 카메라 및 센서에서 멀티 기가비트 데이터 속도를 지원하기 위해 엄격한 임피던스 매칭 및 차동 쌍 라우팅을 요구하며, 최소한의 왜곡이 필요합니다.

표 2: 고주파 ADAS 보드용 PCB 공차

미래 트렌드

자율 주행이 더 높은 레벨(L3+)로 발전함에 따라 PCB 설계는 더 복잡한 센서 융합 및 컴퓨팅 요구 사항을 지원하도록 진화할 것입니다.

• AI 프로세서와의 통합: 고성능 GPU 및 신경 처리 장치(NPU)는 센서 PCB에 직접 통합되어 실시간 데이터 분석을 가능하게 하고 객체 인식의 대기 시간을 줄입니다.

• 센서 융합 모듈: 단일 PCB에서 레이더, LiDAR 및 카메라 인터페이스를 결합하면 데이터 집약이 간소화되어 고급 신호 격리 및 동기화 기술이 필요합니다.

• 고속 인터페이스: PCIe Gen4/5 및 10G 이더넷의 채택은 센서와 중앙 컴퓨팅 장치 간의 더 빠른 데이터 전송을 가능하게 하며, 저손실 재료 및 최적화된 차동 쌍 라우팅이 필요합니다.

표 3: ADAS 모듈 PCB 레이어

결론

ADAS 및 자율 주행 시스템은 PCB 설계에 전례 없는 요구 사항을 부과하며, 고주파 성능, 소형화 및 환경 탄력성이 필요합니다. 센서가 점점 더 높은 주파수와 데이터 속도로 작동함에 따라 PCB 재료, 제조 정밀도 및 레이아웃 최적화는 차량 안전 및 자율성에 매우 중요해졌습니다. 업계가 완전 자율성을 향해 나아가면서 PCB는 AI 처리, 다중 센서 융합 및 초고속 인터페이스를 통합하여 차세대 지능형 주행 기술을 가능하게 하기 위해 계속 진화할 것입니다.