Analyse des applications et de la valeur des circuits imprimés flexibles, rigides et rigides-flexibles en électronique automobile

L'électronique automobile représente l'un des principaux domaines d'application de la technologie des circuits imprimés (PCB). Avec l'évolution des automobiles vers l'électrification, l'intelligence et la connectivité, différents types de PCB (FPC flexibles, PCB rigides et PCB rigides-flexibles) tirent parti de leurs caractéristiques distinctes pour se compléter et créer des synergies au sein des systèmes électroniques embarqués. Cet article analyse en détail les avantages techniques, les principaux domaines d'application et la valeur ajoutée de ces trois types de PCB pour la modernisation de l'électronique automobile.

I. Circuits imprimés flexibles (FPC) : s’adapter aux besoins de légèreté et d’intégration de l’électronique automobile

Les circuits imprimés flexibles (FPC) utilisent un film de polyimide (PI) ou de polyester comme matériau de base. Ils se caractérisent par leur flexibilité, leur finesse et leur câblage haute densité, permettant des connexions complexes dans des espaces réduits. Répondant parfaitement aux besoins fondamentaux de l'électronique automobile – réduction du poids, gain de place et adaptation aux structures irrégulières – les FPC sont devenus des composants clés des véhicules à énergies nouvelles et des habitacles intelligents.

1. Principaux avantages techniques

• Adaptabilité spatialeAvec une épaisseur de seulement 0,1 mm, les FPC peuvent être pliés et courbés à des angles allant jusqu'à 180°. Ils peuvent s'adapter aux surfaces courbes des véhicules (par exemple, à l'intérieur des batteries, des tableaux de bord) ou dans des espaces étroits (par exemple, entre les capteurs et les calculateurs), résolvant ainsi les problèmes de " congestion des câbles et de gaspillage d'espace " associés aux câbles traditionnels.
• Légèreté et fiabilitéComparativement aux faisceaux de câbles traditionnels, les câbles FPC sont 30% à 50% plus légers (à longueur unitaire) et éliminent le risque de desserrage des connecteurs. Dans les environnements soumis aux vibrations et aux secousses du véhicule (par exemple, à proximité du châssis ou du compartiment moteur), la stabilité de la transmission du signal est améliorée de plus de 40%.
• Intégration haute densité: Prenant en charge les circuits fins (largeur de ligne/espacement de ligne jusqu'à 20/20 μm) et les conceptions multicouches (généralement 4 à 8 couches), les FPC peuvent intégrer des composants passifs (résistances, condensateurs) et des connecteurs, réduisant ainsi le nombre de joints de soudure entre les composants et diminuant la probabilité de défaillances.

2. Principaux scénarios d'application et valeur

(1) Systèmes de gestion de batterie (BMS) : Le " gardien de la batterie " des véhicules à énergies nouvelles

Le pack batterie d'un véhicule à énergies nouvelles se compose de plusieurs dizaines, voire centaines, d'éléments. Le système de gestion de batterie (BMS) doit surveiller en temps réel des paramètres tels que la tension, le courant et la température de chaque élément (avec une précision de ±0,1 V/±1 A/±1 °C) et contrôler l'équilibre entre charge et décharge. Grâce à leurs caractéristiques de flexibilité et de câblage haute densité, les circuits imprimés flexibles (FPC) peuvent être fixés directement à la surface des éléments ou aux supports de modules pour obtenir :

• Collecte de données multicanaux : Un seul FPC peut connecter simultanément 12 à 24 cellules de batterie, réduisant ainsi le nombre d'interfaces des faisceaux de câbles traditionnels (de plus de 30 à 5-8) et diminuant le risque de génération de chaleur due à la résistance de contact.
• Résistance aux vibrations et tolérance à la température : grâce à l'utilisation d'un matériau de base PI résistant aux hautes températures (résistance à long terme aux températures de -40℃ à 125℃), les FPC peuvent fonctionner de manière stable dans les packs de batteries (température de fonctionnement de -20℃ à 60℃), évitant ainsi le vieillissement des lignes causé par les hautes températures.Cas typique: Le BMS de la Tesla Model 3 adopte des FPC à 8 couches pour réaliser une surveillance synchrone de plus de 100 cellules de batterie, améliorant le taux d'utilisation de l'énergie de la batterie de 5% à 8%.

(2) Systèmes de conduite autonome (ADAS/conduite autonome de niveau 4) : le " canal précis " pour la transmission du signal

Les systèmes de conduite autonome reposent sur la collaboration de composants tels que des lidars, des radars à ondes millimétriques, des caméras (jusqu'à 12 à 15 unités) et des contrôleurs de domaine, ce qui exige que la transmission du signal et le traitement des données soient effectués en quelques millisecondes. La valeur ajoutée des FPC réside dans :

• Câblage dans un espace limité : à l’intérieur des sondes lidar (d’un diamètre de seulement 5 à 10 cm), les FPC peuvent être pliés pour s’adapter à la connexion entre les composants optiques et les puces de traitement du signal, évitant ainsi les interférences de signal causées par l’enchevêtrement des fils.
• Support des signaux à haut débit : en utilisant des matériaux de base à faibles pertes (par exemple, PI modifié avec une perte diélectrique Df ≤ 0,002), les FPC peuvent transmettre des signaux à haut débit de plus de 10 Gbit/s, répondant aux besoins de transmission de données en temps réel des radars à ondes millimétriques 4D (avec une résolution de 0,1°).

(3) Cockpits intelligents et contrôle corporel : le " lien invisible " qui améliore l’expérience utilisateur

• Cockpits intelligentsLes FPC (Flexible Processing Carriers) connectent les écrans de commande centraux, les tableaux de bord, les affichages tête haute (HUD) et les modules de commande des sièges, prenant en charge les images haute définition (4K/8K) et la transmission synchrone de plusieurs commandes (par exemple, le couplage du chauffage, du massage et du réglage électrique des sièges). L'encombrement du câblage est réduit grâce au 60% par rapport aux faisceaux de câbles traditionnels.
• Contrôle des détails de la carrosserieDans les composants mobiles tels que les rétroviseurs rabattables et les hayons électriques, les FPC peuvent se plier à 360° avec le mouvement des composants (avec une durée de vie en fatigue de plus de 100 000 cycles), évitant ainsi le risque de rupture des fils et améliorant la fiabilité de 3 fois par rapport aux faisceaux de câbles traditionnels.

II. Circuits imprimés rigides : le support fondamental d’une " haute stabilité et d’une haute fiabilité " en électronique automobile

Les circuits imprimés rigides (PCB rigides) utilisent une résine époxy renforcée de fibres de verre (FR-4) comme matériau de base. Ils présentent une résistance mécanique élevée, une grande stabilité mécanique et une excellente résistance aux chocs. Dans les systèmes critiques " à forte charge et à haut risque " de l'électronique automobile (moteurs, dispositifs de sécurité, etc.), les PCB rigides demeurent des composants essentiels et représentent environ 551 à 601 000 unités du marché total des PCB automobiles.

1. Principaux avantages techniques

• Résistance mécanique et interférencesGrâce à leur substrat très dur (module de Young d'environ 20 GPa), les circuits imprimés rigides résistent aux vibrations du moteur (amplitude ≤ 2 mm), aux hautes températures (supérieures à 150 °C) et à la corrosion chimique (par exemple, par l'huile moteur ou le liquide de refroidissement). De plus, la conception de la couche de blindage métallique permet d'isoler efficacement les interférences électromagnétiques (IEM).
• Avantages liés aux coûts et à la production de masse: Grâce à des processus de production matures (rendement de gravure et de perçage ≥ 99%), le coût unitaire des PCB rigides n'est que de 1/3 à 1/5 de celui des FPC, ce qui les rend adaptés aux besoins de production de masse à l'échelle du million d'unités de l'électronique automobile.
• Capacité de charge élevée: Prenant en charge les conceptions en cuivre épais (épaisseur de feuille de cuivre de 105 μm à 210 μm), les PCB rigides peuvent transporter des courants importants (par exemple, plus de 20 A), répondant aux besoins d'alimentation des composants haute puissance (par exemple, les calculateurs de moteur, les contrôleurs de moteur).

2. Principaux scénarios d'application et valeur

(1) Systèmes de contrôle moteur (ECU) : Le " centre de contrôle " du " cœur " automobile"

Le calculateur moteur doit contrôler avec précision des paramètres tels que l'injection de carburant, l'avance à l'allumage et l'admission d'air (avec une précision de ±0,1 ms), ce qui impose des exigences extrêmement élevées en matière de stabilité et de résistance environnementale des circuits imprimés. Le rôle des circuits imprimés rigides est le suivant :

• Support physique et dissipation de la chaleur : grâce à l'adoption d'un substrat FR-4 et d'un dissipateur thermique métallique, les circuits imprimés rigides peuvent réduire la température de fonctionnement de l'ECU (généralement de 80 à 120 °C) de 10 à 15 °C, évitant ainsi la dégradation des performances de la puce causée par les températures élevées.
• Alimentation haute puissance : Les circuits en cuivre épais (105 μm) peuvent transporter des courants de 15 à 20 A, fournissant une alimentation stable aux actionneurs tels que les injecteurs de carburant et les bobines d'allumage, et évitant l'instabilité du ralenti du moteur causée par les fluctuations de courant.

(2) Systèmes de sécurité : La " dernière ligne de défense " pour la sécurité du conducteur et des passagers

Les systèmes de sécurité automobile (par exemple, les airbags, le système de freinage antiblocage ABS, le programme de stabilité électronique ESP) doivent se déclencher sans défaillance en cas d'urgence (temps de réponse ≤ 100 ms), et la haute fiabilité des circuits imprimés rigides en est la garantie essentielle :

• Unité de commande d'airbag (ACU)Utilisant des circuits imprimés rigides de 6 à 10 couches, il intègre des capteurs d'accélération, des microcontrôleurs et des puces de commande. L'espacement des pistes est ≥ 0,2 mm (pour éviter les courts-circuits) et il a obtenu la certification de sécurité fonctionnelle ISO 26262 (niveau ASIL-D, le plus élevé), garantissant le déploiement normal de l'airbag 100% en cas de collision.
• Système ABSDans le module de commande hydraulique des freins, les circuits imprimés rigides peuvent résister à la corrosion du liquide de frein (température de -40℃ à 150℃) et répondre aux exigences strictes de résistance aux vibrations (fréquence de 20 à 2000 Hz) du châssis automobile, évitant ainsi les défaillances de freinage dues à une interruption du signal.

(3) Module de commande de carrosserie (BCM) : le " ménage " de l’électronique automobile

Le module de commande de carrosserie (BCM) gère des dizaines de dispositifs électriques de carrosserie, tels que les vitres, les serrures de portières, les phares et les essuie-glaces, et doit traiter simultanément de nombreuses commandes (par exemple, la levée automatique des vitres, le déverrouillage des portières et l'allumage/l'extinction des phares). Les circuits imprimés rigides assurent un support stable pour cela.

• Intégration multifonctionnelle : Un seul PCB rigide de 4 à 6 couches peut intégrer un MCU, des pilotes de relais et des interfaces de communication (bus CAN/LIN), réduisant ainsi le nombre de composants discrets par rapport au 30% et simplifiant la structure du module.
• Faibles coûts de maintenance : Avec une durée de vie supérieure à 10 ans (correspondant à celle du véhicule), les circuits imprimés rigides réduisent la fréquence de maintenance du BCM. Le taux de défaillance est de seulement 0,51 TP4T à 11 TP4T, bien inférieur au taux de défaillance de 31 TP4T à 51 TP4T des circuits imprimés flexibles en conditions de forte charge.

III. Circuits imprimés rigides-flexibles : la " solution intégrée " pour les exigences électroniques automobiles complexes

Les circuits imprimés rigides-flexibles (circuits imprimés hybrides) combinent la flexibilité des circuits imprimés flexibles et la stabilité mécanique des circuits imprimés rigides. Ils permettent une installation fixe associée à une connexion flexible sur une seule carte, répondant ainsi parfaitement aux problématiques de contraintes d'espace, de forte intégration et d'adaptation à de multiples scénarios rencontrées dans les systèmes électroniques automobiles avancés (par exemple, les systèmes ADAS haut de gamme et les groupes motopropulseurs pour véhicules à énergies nouvelles). Leur part de marché dans le secteur des circuits imprimés automobiles connaît une croissance rapide, passant de 51 TP4T en 2020 à plus de 121 TP4T en 2024.

1. Principaux avantages techniques

• Intégration structurelleLa partie rigide de la carte assure le support mécanique des puces et des composants lourds (condensateurs, par exemple), tandis que la partie flexible permet la connexion par pliage entre les différents modules. Ceci réduit le nombre de connecteurs et de faisceaux de câbles de 40% à 50%, et le volume global du module de 20% à 30%.
• Optimisation de l'intégrité du signalEn optimisant le chemin de câblage (en intégrant des couches rigides et flexibles dans une seule carte), les PCB rigides-flexibles évitent la perte de signal causée par le contact du connecteur, réduisant le délai du signal de 15%-25% et améliorant la capacité anti-interférence du système.
• Adaptabilité environnementaleLa partie flexible utilise un matériau PI résistant aux hautes températures, et la partie rigide utilise un matériau FR-4, permettant à la carte de s'adapter simultanément à de multiples environnements de travail du véhicule (par exemple, la température élevée du compartiment moteur et la basse température du châssis), avec une large plage de résistance à la température de -55℃ à 150℃.

2. Principaux scénarios d'application et valeur

(1) Contrôleurs de domaine des systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS)

Les contrôleurs de domaine ADAS haut de gamme (prenant en charge la conduite autonome de niveau 3/4) doivent intégrer les données des radars laser, des caméras et des radars à ondes millimétriques (avec un débit de données supérieur à 100 Go/s) et effectuer un traitement en temps réel. Les circuits imprimés rigides-flexibles jouent un rôle essentiel à cet égard.

• Transmission de signal haute densité : La partie rigide de la carte intègre des puces hautes performances (par exemple, NVIDIA Orin/Xavier), tandis que la partie flexible assure la connexion à l’interface radar/caméra. La conception multicouche (8 à 12 couches) prend en charge PCIe 5.0 (bande passante de 128 Go/s) et Ethernet 10 Gbit/s, garantissant ainsi une transmission de données à haut débit sans perte.
• Gain de place : Dans l’espace limité du toit du véhicule (où le contrôleur de domaine ADAS est généralement installé), la partie flexible du circuit imprimé rigide-flexible peut être pliée pour épouser la courbe du toit, évitant ainsi le problème d"" impossibilité d’installation en raison de contraintes d’espace » rencontré avec les circuits imprimés purement rigides.

(2) Systèmes de transmission pour véhicules à énergies nouvelles

Le système de propulsion (comprenant le contrôleur moteur, le chargeur embarqué et le convertisseur CC-CC) des véhicules à énergies nouvelles présente des structures complexes et des exigences d'intégration élevées. Les circuits imprimés rigides-flexibles permettent :

• Intégration des circuits de puissance et de signal : La partie rigide de la carte supporte les composants haute puissance (par exemple, les modules IGBT) et utilise du cuivre épais (210 μm) pour résister à des courants de plus de 50 A ; la partie flexible connecte le circuit de détection du signal (par exemple, le capteur de courant), évitant ainsi les interférences entre les lignes d'alimentation et de signal.
• Résistance aux vibrations dans des scénarios dynamiques : Dans le groupe motopropulseur (qui vibre violemment pendant le fonctionnement du véhicule), la partie flexible du PCB rigide-flexible peut absorber l'énergie des vibrations, réduisant ainsi la contrainte sur la partie rigide par 30%-40% et prolongeant la durée de vie du module.

(3) Systèmes d'infodivertissement embarqués (IVI)

Les systèmes IVI haut de gamme (par exemple, la liaison multi-écrans, la communication embarquée) nécessitent l'intégration de multiples fonctions telles que l'affichage, l'audio et le réseau. Les circuits imprimés rigides-flexibles offrent une solution optimisée :

• Connexion multi-écrans : La partie rigide de la carte est fixée dans le boîtier de commande central, et la partie flexible s'étend jusqu'au tableau de bord et à l'écran des sièges arrière, permettant une connexion transparente de 3 à 5 écrans sans utiliser de faisceaux de câbles externes.
• Contrôle des coûts : En intégrant plusieurs sous-cartes dans un seul PCB rigide-flexible, le cycle de R&D du système IVI est raccourci de 20% à 30% et le coût de production est réduit de 15% à 20% (comparativement à la combinaison de PCB rigides et de FPC indépendants).

Conclusion : La synergie différenciée de trois types de circuits imprimés favorise la modernisation de l’électronique automobile.

Dans le contexte de l'électrification et de l'intelligence automobile, les FPC, les PCB rigides et les PCB rigides-flexibles ne se remplacent pas les uns les autres mais forment un " écosystème complémentaire " :

• FPC dominer dans les scénarios de " connexion flexible, de légèreté et de faible encombrement " (par exemple, BMS, cockpits intelligents) ;
• Circuits imprimés rigides demeurent au cœur des scénarios " haute stabilité, haute puissance et production de masse " (par exemple, les calculateurs moteur, les systèmes de sécurité) ;
• Circuits imprimés rigides-flexibles devenir la clé pour surmonter les obstacles techniques dans les scénarios " à forte intégration et à structure complexe " (par exemple, les contrôleurs de domaine ADAS, les groupes motopropulseurs).