자동차 전자 시스템의 인쇄 회로 기판 요구 사항 (6) 안전 및 모니터링 시스템

소개

안전 및 모니터링 시스템은 전기 자동차(EV)의 보호 기반을 형성하며, 승객을 직접 보호하고 차량 안전을 강화합니다. 이러한 중요한 시스템에는 에어백 제어 장치(ACU), 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS), 충돌 센서 및 탑승자 감지 장치가 포함되며, 이 모든 장치는 즉각적인 응답성과 변함없는 신뢰성에 의존합니다. 안전이 중요한 응용 분야에서는 사소한 PCB 고장조차도 치명적인 결과를 초래할 수 있으므로 PCB 설계 및 제조 표준이 매우 엄격합니다. 이 기사에서는 EV 안전 및 모니터링 시스템의 특수 PCB 요구 사항, 제조 과제 및 새로운 트렌드를 살펴보고 안전한 운전 경험을 보장하는 데 있어 그 역할을 강조합니다.

시스템 개요

EV 안전 및 모니터링 시스템은 다양한 모듈을 포함하며, 각 모듈은 위험을 감지하고 보호 응답을 트리거하도록 설계되었습니다.

• 에어백 제어 장치(ACU): 충돌에 대한 중앙 허브 역할을 하며, 가속도계 및 충격 센서의 데이터를 처리하여 충돌 발생 시 수 밀리초 이내에 에어백을 전개합니다.

• 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS): 타이어 공기압 및 온도를 지속적으로 모니터링하여 펑크를 방지하고 연비를 개선하기 위해 누출 또는 과도한 팽창에 대해 운전자에게 경고합니다.

• 충돌 센서: 차량 전체(전면, 후면 및 측면)에 배치되어 충격 또는 잠재적 충돌을 감지하여 안전 벨트 사전 조임 또는 비상 제동과 같은 안전 조치를 트리거합니다.

• 탑승자 감지 장치: 무게 센서 및 정전 용량 기술을 사용하여 승객의 존재 및 위치를 감지하여 에어백 전개력을 최적화하고 불필요한 활성화를 방지합니다.

• 스마트 도어 잠금 장치: 무단 접근을 방지하기 위해 차량 보안 시스템과 통합되어 향상된 보호를 위해 RFID 또는 생체 인식 센서를 사용합니다.

PCB 설계 요구 사항

안전 및 모니터링 시스템 PCB는 안전한 작동을 보장하기 위해 엄격한 설계 기준을 충족해야 합니다.

1. 극도의 신뢰성

안전 시스템에서 즉각적인 응답성은 협상할 수 없으며, 제로 지연을 위해 설계된 PCB가 필요합니다.

• 밀리초 수준의 응답: ACU는 최소 신호 전파 지연을 갖춘 PCB가 필요하여 충돌 발생 후 20~30밀리초 이내에 에어백이 전개되도록 합니다.

• 중복된 중요 경로: 중요한 회로(예: 충돌 센서 입력)에 대한 중복된 트레이스와 구성 요소는 단일 지점 고장으로 인해 시스템이 비활성화되는 것을 방지합니다.

2. 소형화

장착 위치(예: TPMS의 휠 웰, 센서의 도어 패널)의 공간 제약으로 인해 소형 설계를 해야 합니다.

• Rigid-flex PCB: TPMS 및 실내 센서는 좁은 공간에 맞게 rigid-flex 기판을 사용하여 구성 요소 장착을 위한 rigid 섹션과 진동 저항을 위한 flexible 섹션을 결합합니다.

• 고밀도 레이아웃: 소형화된 구성 요소(예: 01005 패키지) 및 미세 피치 라우팅을 통해 巴掌大小的 PCB에서 복잡한 기능을 사용할 수 있습니다.

3. 낮은 전력 소비

많은 모니터링 시스템(예: TPMS)은 배터리에 의존하므로 에너지 효율성을 위해 최적화된 PCB가 필요합니다.

• 저전력 구성 요소 통합: 배터리 수명 연장(일반적으로 TPMS의 경우 5~7년)을 위해 초저 대기 전류를 갖춘 마이크로 컨트롤러 및 센서 선택.

• 전원 관리 회로: 효율적인 전압 조정기 및 절전 모드 기능은 유휴 기간 동안 에너지 소모를 최소화합니다.

표 1: 안전 모듈 및 PCB 요구 사항

제조 과제

안전 시스템용 PCB 생산에는 신뢰성 확보를 위해 고유한 기술적 과제가 수반됩니다.

• Rigid-Flex 신뢰성: flexible 섹션은 트레이스 균열 또는 도체 피로 없이 >10,000번의 굴곡 사이클을 견뎌야 하며, 정밀한 재료 선택(예: 폴리이미드 기판) 및 제어된 라미네이션 프로세스가 필요합니다.

• 소형화된 구성 요소 조립: 01005 패키지(0.4mm × 0.2mm) 납땜에는 브리징 또는 콜드 조인트를 방지하기 위해 ±25μm의 배치 정확도를 갖춘 고급 SMT 장비가 필요합니다.

• 규정 준수 테스트: PCB는 AEC-Q200(수동 부품의 경우) 및 ISO 26262(기능 안전)를 포함한 엄격한 인증 표준을 통과해야 하며, 열 사이클링, 습도 테스트 및 진동 스트레스 스크리닝이 포함됩니다.

표 2: 안전 시스템용 PCB 신뢰성 표준

미래 트렌드

안전 기술의 발전은 모니터링 시스템용 PCB 설계의 진화를 주도하고 있습니다.

• 센서 융합: 단일 PCB에 여러 센서(예: 카메라, 레이더 및 초음파)의 데이터를 통합하여 위험 감지 정확도를 개선하고 고속 데이터 버스 및 고급 신호 처리가 필요합니다.

• 무선 안전 시스템: V2X(Vehicle-to-Everything) 통신 모듈과의 통합을 통해 TPMS 및 충돌 센서의 유선 연결을 제거하여 최적화된 RF 성능 및 저전력 무선 프로토콜이 필요합니다.

• 초고신뢰성 재료: 열악한 환경에서 내구성을 향상시키고 장기적인 고장 위험을 줄이기 위해 저수분 흡수율을 갖춘 고 Tg( ≥180°C) 라미네이트 채택.

표 3: 안전 모듈용 PCB 설계 매개변수

결론

안전 및 모니터링 시스템은 EV에서 PCB 신뢰성의 최고 표준을 나타내며, 즉각적인 응답, 소형화 및 엄격한 자동차 표준 준수를 우선시하는 설계를 요구합니다. 소형 TPMS 모듈을 가능하게 하는 rigid-flex PCB에서 ACU 기능을 보장하는 중복 회로에 이르기까지 이러한 보드는 승객 보호에 매우 중요합니다. EV 안전 기술이 발전함에 따라 미래의 PCB는 센서 융합, 무선 연결 및 고급 재료를 통합하여 자동차 안전의 기반으로서의 역할을 더욱 강화할 것입니다. 이러한 기술을 마스터하는 제조업체는 안전한 전기 이동성을 위한 벤치마크를 계속 설정할 것입니다.