自動車電子システムにおけるプリント基板の要件 (6) 安全 & モニタリングシステム

はじめに

安全監視システムは、電気自動車（EV）の保護の要であり、乗客を直接保護し、車両の安全性を高めます。これらの重要なシステムには、エアバッグ制御ユニット（ACU）、タイヤ空気圧監視システム（TPMS）、衝突センサー、乗員検知ユニットが含まれており、これらはすべて瞬時の応答性と揺るぎない信頼性に依存しています。安全性が重要な用途では、PCBのわずかな故障でさえ壊滅的な結果を招く可能性があるため、PCBの設計と製造基準は非常に厳格です。この記事では、EVの安全性と監視システムにおける特殊なPCBの要件、製造上の課題、および新たなトレンドを探り、安全な運転体験を確保する上での役割を強調します。

システムの概要

EVの安全性と監視システムは、危険を検出し、保護的な対応をトリガーするように設計された一連のモジュールで構成されています。

• エアバッグ制御ユニット（ACU）: 衝突対応の中枢として機能し、加速度計と衝撃センサーからのデータを処理して、衝突の数ミリ秒以内にエアバッグを展開します。

• タイヤ空気圧監視システム（TPMS）: タイヤの空気圧と温度を継続的に監視し、漏れや過剰な空気圧をドライバーに警告して、バーストを防止し、燃費を向上させます。

• 衝突センサー: 車両全体（フロント、リア、側面）に配置され、衝撃や潜在的な衝突を検出し、シートベルトのプリテンションや緊急ブレーキなどの安全対策をトリガーします。

• 乗員検知ユニット: 重量センサーと静電容量技術を使用して乗員の存在と位置を検出し、エアバッグの展開力を最適化し、不要な作動を防止します。

• スマートドアロック: 車両セキュリティシステムと統合して不正アクセスを防止し、RFIDまたは生体認証センサーを使用して保護を強化します。

PCB設計要件

安全性と監視システムのPCBは、フェイルセーフな動作を保証するために、厳格な設計基準を満たす必要があります。

1. 究極の信頼性

安全システムでは瞬時の応答性が不可欠であり、ゼロレイテンシで設計されたPCBが求められます。

• ミリ秒レベルの応答: ACUは、信号伝搬遅延を最小限に抑え、衝撃から20〜30ミリ秒以内にエアバッグを展開できるようにするPCBを必要とします。

• 冗長なクリティカルパス: 重要な回路（例：衝突センサー入力）のトレースとコンポーネントを複製することで、単一障害によるシステムの無効化を防ぎます。

2. 小型化

取り付け場所（例：TPMSのホイールウェル、センサーのドアパネル）のスペース制約により、コンパクトな設計が必要になります。

• リジッドフレキシブルPCB: TPMSや車内センサーは、狭いスペースに対応するためにリジッドフレキシブル基板を使用し、コンポーネント実装用のリジッドセクションと振動耐性用のフレキシブルセクションを組み合わせています。

• 高密度レイアウト: 小型化されたコンポーネント（例：01005パッケージ）と微細ピッチ配線により、手の広さのPCBで複雑な機能を可能にします。

3. 低消費電力

多くの監視システム（例：TPMS）はバッテリーに依存しており、エネルギー効率が最適化されたPCBが必要です。

• 低消費電力コンポーネントの統合: バッテリー寿命を延ばすために、超低スタンバイ電流のマイクロコントローラーとセンサーを選択します（TPMSの場合は通常5〜7年）。

• 電源管理回路: 効率的な電圧レギュレーターとスリープモード機能により、アイドル期間中のエネルギー消費を最小限に抑えます。

表1：安全モジュールとPCB要件

製造上の課題

安全システムのPCBの製造には、信頼性の必要性から、独自の技術的ハードルが伴います。

• リジッドフレキシブルの信頼性: フレキシブルセクションは、トレースの亀裂や導体の疲労なしに10,000回以上の屈曲サイクルに耐える必要があり、正確な材料選択（例：ポリイミド基板）と制御されたラミネーションプロセスが必要です。

• 小型コンポーネントアセンブリ: 01005パッケージ（0.4mm×0.2mm）のはんだ付けには、ブリッジやコールドジョイントを回避するために、±25μmの配置精度を備えた高度なSMT装置が必要です。

• コンプライアンステスト: PCBは、AEC-Q200（受動部品用）およびISO 26262（機能安全）を含む厳格な認証基準に合格する必要があり、熱サイクル、湿度試験、振動ストレススクリーニングが含まれます。

表2：安全システムのPCB信頼性基準

今後のトレンド

安全技術の進歩は、監視システムのPCB設計の進化を促進しています。

• センサーフュージョン: 複数のセンサー（例：カメラ、レーダー、超音波）からのデータを単一のPCBに統合して、危険検出精度を向上させます。これには、高速データバスと高度な信号処理が必要です。

• ワイヤレス安全システム: V2X（Vehicle-to-Everything）通信モジュールとの統合を通じて、TPMSおよび衝突センサーの有線接続を排除します。これには、最適化されたRF性能と低電力ワイヤレスプロトコルが必要です。

• 超高信頼性材料: 過酷な環境での耐久性を高め、長期的な故障リスクを軽減するために、高Tg（≥180°C）で低吸湿性のラミネートを採用します。

表3：安全モジュールのPCB設計パラメータ

結論

安全性と監視システムは、EVにおけるPCB信頼性の最高水準を表しており、瞬時の応答、小型化、厳格な自動車基準への準拠を優先する設計が必要です。コンパクトなTPMSモジュールを可能にするリジッドフレキシブルPCBから、ACU機能を保証する冗長回路まで、これらの基板は乗客保護に不可欠です。EV安全技術が進歩するにつれて、将来のPCBはセンサーフュージョン、ワイヤレス接続、および高度な材料を統合し、自動車の安全性の基盤としての役割をさらに高めます。これらの技術を習得したメーカーは、安全な電気モビリティのベンチマークを設定し続けるでしょう。