Anwendung und Wertanalyse von flexiblen, starren und starr-flexiblen Leiterplatten in der Automobilelektronik

Die Automobilelektronik zählt zu den wichtigsten Anwendungsgebieten der Leiterplattentechnologie (PCB). Im Zuge der zunehmenden Elektrifizierung, Vernetzung und intelligenten Fahrzeugtechnik nutzen verschiedene Leiterplattentypen – flexible, starre und starr-flexible Leiterplatten – ihre spezifischen Eigenschaften, um sich in fahrzeuginternen Elektroniksystemen zu ergänzen und Synergien zu erzielen. Dieser Artikel analysiert systematisch die technischen Vorteile, die wichtigsten Anwendungsgebiete und den Nutzen dieser drei Leiterplattentypen für die Modernisierung der Automobilelektronik.

I. Flexible Leiterplatten (FPCs): Anpassung an die Anforderungen der Automobilelektronik hinsichtlich "leichtem Gewicht und Integration".

Flexible Leiterplatten (FPCs) verwenden Polyimid- (PI) oder Polyesterfolie als Basismaterial. Sie zeichnen sich durch Biegsamkeit, geringe Dicke und hohe Leiterbahndichte aus und ermöglichen so komplexe Schaltungsverbindungen auf engstem Raum. Da sie die Kernanforderungen der Automobilelektronik – Gewichtsreduzierung, Platzersparnis und Anpassungsfähigkeit an unregelmäßige Strukturen – optimal erfüllen, sind FPCs zu Schlüsselkomponenten in Elektrofahrzeugen und intelligenten Cockpits geworden.

1. Kerntechnische Vorteile

• Räumliche AnpassungsfähigkeitMit einer Dicke von nur 0,1 mm lassen sich FPCs falten und in Winkeln bis zu 180° biegen. Sie passen auf gekrümmte Fahrzeugoberflächen (z. B. in Akkus, Instrumententafeln) oder in enge Spalten (z. B. zwischen Sensoren und Steuergeräten) und lösen so die Probleme der "Kabelüberlastung und Platzverschwendung", die mit herkömmlichen Kabeln verbunden sind.
• Leichtgewicht und ZuverlässigkeitIm Vergleich zu herkömmlichen Kabelbäumen sind FPCs (30%–50%) leichter (berechnet nach Längeneinheit) und eliminieren das Risiko loser Drahtverbindungen. In Umgebungen mit Fahrzeugvibrationen und Erschütterungen (z. B. in der Nähe des Chassis oder des Motorraums) wird die Stabilität der Signalübertragung um mehr als 40% verbessert.
• Hochdichte IntegrationDurch die Unterstützung feinster Schaltungen (Leiterbahnbreite/Leiterbahnabstand bis zu 20/20 μm) und mehrlagiger Designs (üblicherweise 4-8 Lagen) können FPCs passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren) und Steckverbinder integrieren, wodurch die Anzahl der Lötstellen zwischen den Bauteilen reduziert und die Ausfallwahrscheinlichkeit gesenkt wird.

2. Wichtigste Anwendungsszenarien und Nutzen

(1) Batteriemanagementsysteme (BMS): Der "Batteriewächter" von Fahrzeugen mit neuer Energie

Der Antriebsakku eines Elektrofahrzeugs besteht aus Dutzenden bis Hunderten von Batteriezellen. Das Batteriemanagementsystem (BMS) muss Parameter wie Spannung, Stromstärke und Temperatur jeder Zelle in Echtzeit überwachen (mit einer Genauigkeit von ±0,1 V/±1 A/±1 °C) und den Lade- und Entladevorgang steuern. Dank ihrer Flexibilität und hohen Verdrahtungsdichte können flexible Leiterplatten (FPCs) direkt auf der Oberfläche der Batteriezellen oder Modulhalterungen angebracht werden, um Folgendes zu erreichen:

• Mehrkanalige Datenerfassung: Ein einzelner FPC kann 12-24 Batteriezellen gleichzeitig anschließen, wodurch sich die Anzahl der Schnittstellen herkömmlicher Kabelbäume (von über 30 auf 5-8) verringert und das Risiko der Wärmeentwicklung durch Kontaktwiderstand gesenkt wird.
• Vibrationsfestigkeit und Temperaturtoleranz: Durch die Verwendung von hochtemperaturbeständigem PI-Basismaterial (Langzeit-Temperaturbeständigkeit von -40℃~125℃) können FPCs stabil in Akkupacks (Arbeitstemperatur von -20℃~60℃) betrieben werden, wodurch eine durch hohe Temperaturen verursachte Alterung der Leitungen vermieden wird.Typischer FallDas BMS des Tesla Model 3 verwendet 8-lagige FPCs, um die synchrone Überwachung von über 100 Batteriezellen zu realisieren und die Batterieenergieausnutzungsrate um 5%-8% zu verbessern.

(2) Autonome Fahrsysteme (ADAS/Autonomes Fahren der Stufe 4): Der "präzise Kanal" für die Signalübertragung

Autonome Fahrsysteme basieren auf dem Zusammenspiel von Komponenten wie Lidar, Millimeterwellenradar, Kameras (bis zu 12–15 Einheiten) und Domänencontrollern, wodurch Signalübertragung und Datenverarbeitung innerhalb von Millisekunden erfolgen müssen. Der Kernnutzen von FPCs zeigt sich darin:

• Verkabelung auf engstem Raum: Innerhalb von Lidar-Sonden (mit einem Durchmesser von nur 5-10 cm) können FPCs gebogen werden, um sich an die Verbindung zwischen optischen Komponenten und Signalverarbeitungschips anzupassen und so Signalstörungen durch Kabelverwicklungen zu vermeiden.
• Unterstützung von Hochgeschwindigkeitssignalen: Durch die Verwendung verlustarmer Basismaterialien (z. B. modifiziertes PI mit einem dielektrischen Verlust Df ≤ 0,002) können FPCs Hochgeschwindigkeitssignale von über 10 Gbit/s übertragen und erfüllen damit die Echtzeit-Datenübertragungsanforderungen von 4D-Millimeterwellenradar (mit einer Auflösung von 0,1°).

(3) Intelligente Cockpits und Karosseriesteuerung: Das "unsichtbare Bindeglied" zur Verbesserung des Nutzererlebnisses

• Intelligente CockpitsFPCs verbinden zentrale Bedienbildschirme, Instrumententafeln, Head-Up-Displays (HUDs) und Sitzsteuergeräte und unterstützen hochauflösende Bilder (4K/8K) sowie die synchrone Übertragung mehrerer Befehle (z. B. die Verknüpfung von Sitzheizung, Massage und elektrischer Verstellung). Der Platzbedarf für die Verkabelung wird durch 60% im Vergleich zu herkömmlichen Kabelbäumen reduziert.
• Karosserie-DetailkontrolleBei beweglichen Bauteilen wie klappbaren Rückspiegeln und elektrischen Heckklappen können FPCs sich mit der Bewegung der Bauteile um 360° biegen (mit einer Ermüdungslebensdauer von über 100.000 Mal), wodurch das Risiko von Kabelbrüchen vermieden und die Zuverlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Kabelbäumen um das Dreifache verbessert wird.

II. Starre Leiterplatten: Die Grundlage für "Hohe Stabilität und hohe Zuverlässigkeit" in der Automobilelektronik

Starre Leiterplatten (auch: starre gedruckte Schaltungen) verwenden glasfaserverstärktes Epoxidharz (FR-4) als Basismaterial. Sie zeichnen sich durch hohe Festigkeit, hohe mechanische Stabilität und Schlagfestigkeit aus. In hochbelasteten und risikobehafteten Kernsystemen der Automobilelektronik (z. B. Motoren, Sicherheitsvorrichtungen) sind starre Leiterplatten nach wie vor unverzichtbare Kernkomponenten und machen etwa 551–601 Tonnen des gesamten Marktes für Automobil-Leiterplatten aus.

1. Kerntechnische Vorteile

• Mechanische Festigkeit und StörfestigkeitDank der hohen Substrathärte (Elastizitätsmodul von ca. 20 GPa) sind die starren Leiterplatten beständig gegen Motorvibrationen (Amplitude ≤ 2 mm), hohe Temperaturen (über 150 °C) und chemische Korrosion (z. B. durch Motoröl und Kühlmittel). Zusätzlich isoliert die Metallabschirmung effektiv elektromagnetische Störungen (EMI).
• Kosten- und MassenproduktionsvorteileBei ausgereiften Produktionsprozessen (Ätz- und Bohrausbeute ≥ 99%) betragen die Flächenkosten starrer Leiterplatten nur 1/3 bis 1/5 der Kosten flexibler Leiterplatten, wodurch sie sich für die Anforderungen der Massenproduktion von Automobilelektronik im Millionenbereich eignen.
• Hohe Tragfähigkeit: Durch die Unterstützung dicker Kupferkonstruktionen (Kupferfoliendicke von 105μm bis 210μm) können starre Leiterplatten große Ströme (z. B. über 20 A) führen und erfüllen somit die Stromversorgungsanforderungen von Hochleistungskomponenten (z. B. Motorsteuergeräte, Motorsteuerungen).

2. Wichtigste Anwendungsszenarien und Nutzen

(1) Motorsteuerungssysteme (ECU): Das "Kontrollzentrum" des automobilen "Herzens""

Das Motorsteuergerät muss Parameter wie Kraftstoffeinspritzung, Zündzeitpunkt und Luftansaugung präzise steuern (mit einer Regelgenauigkeit von ±0,1 ms), was extrem hohe Anforderungen an die Stabilität und Umweltbeständigkeit der Leiterplatten stellt. Die Rolle starrer Leiterplatten ist:

• Physikalische Unterstützung und Wärmeableitung: Durch die Verwendung eines FR-4-Substrats mit Metallkühlkörper kann die Betriebstemperatur des Steuergeräts (normalerweise 80℃~120℃) durch die starren Leiterplatten um 10-15℃ gesenkt werden, wodurch eine durch hohe Temperaturen verursachte Verschlechterung der Chip-Leistung vermieden wird.
• Hochleistungs-Stromversorgung: Dicke Kupferleiterbahnen (105 μm) können Ströme von 15-20 A führen und gewährleisten so eine stabile Stromversorgung für Aktuatoren wie Kraftstoffeinspritzdüsen und Zündspulen. Dadurch werden Leerlaufinstabilitäten des Motors aufgrund von Stromschwankungen vermieden.

(2) Sicherheitssysteme: Die "letzte Verteidigungslinie" zum Schutz von Fahrer und Beifahrern

Fahrzeugsicherheitssysteme (z. B. Airbags, ABS-Antiblockiersystem, ESP-Elektronisches Stabilitätsprogramm) müssen in Notfallsituationen fehlerfrei auslösen (Reaktionszeit ≤ 100 ms), und die hohe Zuverlässigkeit starrer Leiterplatten ist die zentrale Garantie:

• Airbag-Steuergerät (ACU)Durch die Verwendung von 6- bis 10-lagigen starren Leiterplatten integriert das System Beschleunigungssensoren, Mikrocontroller und Treiberchips. Der Leiterbahnabstand beträgt ≥ 0,2 mm (um Kurzschlüsse zu vermeiden). Das System hat die Zertifizierung nach ISO 26262 (ASIL-D-Level, höchste Sicherheitsstufe) bestanden und gewährleistet somit, dass der Airbag bei Kollisionen in 1001 Fällen ordnungsgemäß auslöst.
• ABS-SystemIm Bremshydrauliksteuermodul können starre Leiterplatten der Korrosion durch Bremsflüssigkeit (Temperatur von -40℃~150℃) standhalten und die strengen Anforderungen an die Vibrationsfestigkeit (Frequenz von 20-2000Hz) des Fahrzeugchassis erfüllen, wodurch ein Bremsversagen aufgrund von Signalunterbrechungen vermieden wird.

(3) Karosseriesteuergerät (BCM): Der "Hausmeister" der Automobilelektronik

Das BCM (Body Control Module) steuert Dutzende von elektrischen Karosseriekomponenten wie Fensterheber, Türverriegelung, Beleuchtung und Scheibenwischer und muss mehrere Steuerbefehle gleichzeitig verarbeiten (z. B. automatisches Anheben der Fenster + Entriegeln der Türverriegelung + Einschalten der Scheinwerfer). Starre Leiterplatten bieten hierfür eine stabile Unterstützung.

• Multifunktionale Integration: Eine einzige starre Leiterplatte mit 4 bis 6 Lagen kann MCU, Relais-Treiber und Kommunikationsschnittstellen (CAN/LIN-Bus) integrieren, wodurch die Anzahl der diskreten Bauteile um den 30% reduziert und die Modulstruktur vereinfacht wird.
• Geringe Wartungskosten: Dank einer Lebensdauer von über 10 Jahren (entsprechend der Fahrzeuglebensdauer) reduzieren starre Leiterplatten die Wartungshäufigkeit des BCM. Die Ausfallrate liegt bei lediglich 0,51–11 TP4T und ist damit deutlich niedriger als die Ausfallrate von 31–51 TP4T bei flexiblen Leiterplatten unter hoher Belastung.

III. Starrflex-Leiterplatten: Die "integrierte Lösung" für komplexe elektronische Anforderungen im Automobilbereich

Starrflexible Leiterplatten (Hybrid-Leiterplatten) vereinen die Flexibilität von flexiblen Leiterplatten mit der mechanischen Stabilität starrer Leiterplatten. Sie ermöglichen die Kombination aus fester Installation und flexibler Verbindung auf einer einzigen Platine und lösen damit optimal die Herausforderungen von beengten Platzverhältnissen, hoher Integration und der Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anwendungsszenarien in modernen automobilen Elektroniksystemen (z. B. High-End-ADAS, Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge). Ihr Marktanteil bei automobilen Leiterplatten wächst rasant, von 51.000 Tonnen im Jahr 2020 auf über 121.000 Tonnen im Jahr 2024.

1. Kerntechnische Vorteile

• Strukturelle IntegrationDer starre Teil der Platine dient der mechanischen Abstützung von Chips und schweren Bauteilen (z. B. Kondensatoren), während der flexible Teil die Biegeverbindung zwischen verschiedenen Modulen ermöglicht. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Steckverbinder und Kabelbäume um 401–501 TP4T, und das Gesamtvolumen des Moduls verringert sich um 201–301 TP4T.
• Optimierung der SignalintegritätDurch die Optimierung des Leiterbahnverlaufs (Integration von starren und flexiblen Schichten in eine einzige Platine) vermeiden starr-flexible Leiterplatten Signalverluste durch Steckverbinderkontakte, reduzieren die Signalverzögerung um 15%-25% und verbessern die Störfestigkeit des Systems.
• Anpassungsfähigkeit an die UmweltDer flexible Teil besteht aus hochtemperaturbeständigem PI-Material, der starre Teil aus FR-4-Material. Dadurch kann sich die Platine gleichzeitig an verschiedene Arbeitsumgebungen im Fahrzeug anpassen (z. B. die hohe Temperatur des Motorraums und die niedrige Temperatur des Chassis) und weist einen breiten Temperaturbeständigkeitsbereich von -55℃ bis 150℃ auf.

2. Wichtigste Anwendungsszenarien und Nutzen

(1) Domänencontroller für Fahrerassistenzsysteme (ADAS)

Hochwertige ADAS-Domänencontroller (mit Unterstützung für autonomes Fahren der Stufen 3 und 4) müssen Laser-Radar-, Kamera- und Millimeterwellenradardaten (mit einem Datendurchsatz von über 100 GB/s) integrieren und eine Echtzeitverarbeitung durchführen. Starrflexible Leiterplatten spielen dabei eine zentrale Rolle.

• Hochdichte Signalübertragung: Der starre Teil der Platine beherbergt Hochleistungschips (z. B. NVIDIA Orin/Xavier), der flexible Teil ist mit der Radar-/Kameraschnittstelle verbunden. Das 8- bis 12-lagige Design unterstützt PCIe 5.0 (128 GB/s Bandbreite) und Ethernet 10 Gbit/s und gewährleistet so verlustfreie Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung.
• Platzersparnis: Im begrenzten Raum des Fahrzeugdachs (wo üblicherweise der ADAS-Domänencontroller installiert wird) kann der flexible Teil der starr-flexiblen Leiterplatte so gebogen werden, dass er sich der Dachwölbung anpasst. Dadurch wird das Problem vermieden, dass die Installation aufgrund von Platzmangel bei rein starren Leiterplatten nicht möglich ist.

(2) Antriebssysteme für Fahrzeuge mit neuer Energie

Das Antriebssystem (einschließlich Motorsteuerung, On-Board-Ladegerät und DC/DC-Wandler) von Elektrofahrzeugen weist komplexe Strukturen und hohe Integrationsanforderungen auf. Starrflex-Leiterplatten realisieren:

• Integration von Strom- und Signalkreisen: Der starre Teil der Platine trägt Hochleistungskomponenten (z. B. IGBT-Module) und verwendet dickes Kupfer (210 μm), um Strömen von über 50 A standzuhalten; der flexible Teil verbindet den Signalerkennungskreis (z. B. Stromsensor) und vermeidet so Störungen zwischen Strom- und Signalleitungen.
• Vibrationsfestigkeit in dynamischen Szenarien: Im Antriebsstrang (der während des Fahrzeugbetriebs starken Vibrationen ausgesetzt ist) kann der flexible Teil der starr-flexiblen Leiterplatte Vibrationsenergie absorbieren, wodurch die Belastung des starren Teils durch 30%-40% reduziert und die Lebensdauer des Moduls verlängert wird.

(3) In-Vehicle Infotainment (IVI)-Systeme

Hochwertige IVI-Systeme (z. B. Multi-Screen-Verknüpfung, Fahrzeugkommunikation) erfordern die Integration mehrerer Funktionen wie Display, Audio und Netzwerk. Starrflex-Leiterplatten bieten hierfür eine optimierte Lösung:

• Mehrere Bildschirme gleichzeitig ansteuerbar: Der starre Teil der Platine ist in der zentralen Steuereinheit fest installiert, während sich der flexible Teil bis zum Instrumentenbrett und dem Display der Rücksitze erstreckt. Dadurch wird eine nahtlose Verbindung von 3 bis 5 Bildschirmen ohne Verwendung externer Kabelbäume ermöglicht.
• Kostenkontrolle: Durch die Integration mehrerer Subplatinen in eine einzige starr-flexible Leiterplatte verkürzt sich der F&E-Zyklus des IVI-Systems um 20%-30%, und die Produktionskosten werden um 15%-20% reduziert (verglichen mit der Kombination aus unabhängigen starren Leiterplatten und FPCs).

Fazit: Die differenzierte Synergie dreier Leiterplattentypen treibt die Modernisierung der Automobilelektronik voran.

Im Kontext der Elektrifizierung und Intelligenz von Kraftfahrzeugen ersetzen sich FPCs, starre Leiterplatten und starr-flexible Leiterplatten nicht gegenseitig, sondern bilden ein "komplementäres Ökosystem":

• FPCs dominieren in Szenarien mit flexibler Vernetzung, geringem Gewicht und wenig Platz (z. B. BMS, intelligente Cockpits);
• Starre Leiterplatten bleiben der Kern in Szenarien mit hoher Stabilität, hoher Leistung und Massenproduktion (z. B. Motorsteuergeräte, Sicherheitssysteme);
• Starrflex-Leiterplatten werden der Schlüssel zur Überwindung technischer Engpässe in Szenarien mit hoher Integration und komplexer Struktur (z. B. ADAS-Domänencontroller, Antriebsstränge).