自動車電子システムにおけるプリント基板の要件 (3) ADAS & 自動運転

はじめに

先進運転支援システム（ADAS）と自動運転技術は、自動車業界を再構築し、車両が周囲の環境を認識、分析、対応することを可能にし、自律性を高めています。ミリ波レーダー（24GHz/77GHz）、LiDAR、超音波センサー、カメラシステムなどの主要モジュールは、アダプティブクルーズコントロール、車線逸脱警告、自動緊急ブレーキ、自動駐車などの機能を支えるセンサーネットワークを形成しています。これらのシステムは、高周波、高速データ伝送に依存しており、PCB設計は、精度、信頼性、リアルタイム性能を確保するための重要な要素となっています。この記事では、ADASおよび自動運転アプリケーションにおける特殊なPCB要件、製造上の課題、および新たなトレンドについて考察します。

システム概要

ADASおよび自動運転システムは、複数のセンサー技術を統合して、包括的な環境認識フレームワークを構築します。

• レーダー（24GHz/77GHz）: 短距離検出（例：駐車支援）には24GHz、長距離アプリケーション（例：高速道路クルーズコントロール）には77GHzで動作し、物体の距離、速度、方向を検出します。

• LiDAR: レーザーパルス（905～1550nm波長）を使用して、周囲環境の3D点群を生成し、障害物や地形の正確なマッピングを可能にします。

• 超音波センサー: 距離を測定するために音波を利用して、駐車などの低速シナリオ向けに短距離物体検出（通常<5m）を提供します。

• カメラ: 車線マーキング認識、交通標識検出、歩行者識別のために視覚データを取得し、高解像度画像処理と高速データ処理を必要とします。

PCB設計要件

ADASおよび自動運転PCBは、高性能センサーの動作をサポートするために、独自の技術的要件に対応する必要があります。

1. 高周波信号の完全性

高周波センサー（例：77GHzレーダー）は、信号損失を最小限に抑え、正確な伝送を行うために最適化されたPCBを必要とします。

• 低損失材料: Rogers RO4000、Megtron 6、Tachyonなどのラミネートは、低誘電率（Dk）と損失係数（Df）により、高周波での信号減衰を最小限に抑えるため、好まれます。

• 厳密なインピーダンス制御: 高速データパスでは、インピーダンスを±5%の許容範囲内に維持することが重要であり、レーダー送受信機とLiDAR制御回路全体での信号の完全性を確保します。

• 制御されたルーティング: 短く、直接的なトレースパスと一貫した形状は、反射とクロストークを低減し、77GHzレーダーとマルチギガビットカメラインターフェースに不可欠です。

2. 小型化

車両の取り付け場所（例：バンパー、ミラー、ルーフ）のスペース制約により、コンパクトなPCB設計が必要になります。

• 6～10層スタックアップ: 多層構造は、電力、グランド、および信号層を分離して干渉を低減しながら、コンポーネント密度を最大化します。

• ファインピッチコンポーネント: 小型フットプリントICと受動部品（例：0402以下のパッケージ）の統合により、限られたスペースでより高い機能を実現できます。

3. 環境耐性

車外または過酷な車両環境に取り付けられたセンサーには、堅牢なPCB保護が必要です。

• 防水および防塵設計: コンフォーマルコーティングと密閉エンクロージャーは、水分や異物の侵入を防ぎ、バンパー下のレーダーや外部カメラに不可欠です。

• 耐UV性: ルーフマウントLiDARまたはフロントガラスカメラ用のPCBは、材料劣化なしに長時間の太陽光への曝露に耐える必要があります。

表1：ADASセンサーの周波数とPCB材料要件

製造上の課題

ADASシステム用のPCBの製造には、高周波と信頼性の要求を満たすための精密なエンジニアリングが必要です。

• マイクロ波PCBエッチング: レーダーアンテナは、放射パターンと周波数応答を維持するために、超精密な線幅制御（±0.02mm）を必要とし、従来のエッチングプロセスに課題をもたらします。

• 混合材料ラミネーション: FR-4とPTFEまたはセラミック基板（LiDARおよびレーダー用）を組み合わせたハイブリッドPCBは、剥離を防ぎ、均一な誘電特性を確保するために、ラミネーション圧力と温度を厳密に制御する必要があります。

• 高速データルーティング: USB、Ethernet、MIPI D-PHYなどのインターフェースは、カメラやセンサーからのマルチギガビットデータレートをサポートするために、厳密なインピーダンスマッチングと差動ペアルーティングを必要とし、スキューを最小限に抑える必要があります。

表2：高周波ADASボードのPCB許容誤差

今後のトレンド

自動運転がより高いレベル（L3+）に進むにつれて、PCB設計は、より複雑なセンサーフュージョンとコンピューティングのニーズをサポートするように進化します。

• AIプロセッサとの統合: 高性能GPUとニューラルプロセッシングユニット（NPU）がセンサーPCBに直接統合され、リアルタイムデータ分析を可能にし、物体認識の遅延を削減します。

• センサーフュージョンモジュール: レーダー、LiDAR、カメラインターフェースを単一のPCBに組み合わせることで、データ集約が合理化され、高度な信号分離と同期技術が必要になります。

• 高速インターフェース: PCIe Gen4/5および10G Ethernetの採用により、センサーと中央コンピューティングユニット間のデータ転送が高速化され、低損失材料と最適化された差動ペアルーティングが必要になります。

表3：ADASモジュールPCBレイヤー

結論

ADASおよび自動運転システムは、PCB設計に前例のない要求を課し、高周波性能、小型化、環境耐性を必要とします。センサーがますます高い周波数とデータレートで動作するにつれて、PCB材料、製造精度、およびレイアウト最適化が、車両の安全性と自律性にとって重要になっています。業界が完全自律性に向かって進むにつれて、PCBは進化を続け、AI処理、マルチセンサーフュージョン、超高速インターフェースを統合して、次世代のインテリジェント運転技術を実現します。