PCB温度ガイド
ジャンプ先：
- PCB温度の測定方法
- PCBはどのくらいの熱に耐えることができますか？
- PCBの高熱の一般的な原因
- PCBの高温を防ぐ方法
- PCBのすべてのニーズについてはMCLにお問い合わせください
温度は、プリント回路基板（PCB）の安全性、信頼性、およびパフォーマンスの重要な要素です。高温はすぐに誤動作や永久的な損傷につながる可能性があります。
いくつかの状況により、PCBの動作に熱が発生する可能性があります。 PCBに取り付けられたコンポーネントは、過度の熱を発生する可能性があります。外部要素（たとえば、航空宇宙システムや医療アプリケーションなどの複雑なシステムの別のコンポーネント）は、過度の熱を発生させる可能性があります。換気が不十分なため、PCBに熱が蓄積する可能性があります。または、PCBの組み立て中に、穴あけやはんだ付け中に発生する熱により、コンポーネントに過度の熱応力が発生し、ボードに欠陥が生じる可能性があります。
理由が何であれ、エンジニアは、PCBが必然的に遭遇する高い熱応力に耐えられるように、熱を管理する方法を必要としています。 PCBの温度上昇を防ぐための効果的なPCB放熱技術と方法は何ですか？これらの質問には、以下で詳しく回答します。
PCBの温度を監視することは非常に重要です。なぜなら、高温はPCBの構造を変え、その性能を低下させたり、故障させたりする可能性があるからです。
高温に起因する問題は局所化されたままではないため、PCB温度測定も重要です。それらはPCBの他のコンポーネントにすぐに広がり、誤動作や損傷のカスケードを引き起こす可能性があります。
PCBの過度の熱は、次のタイプの損傷を引き起こす可能性があります。
- 構造的完全性の喪失： 過度の熱はPCBの完全性を損なう可能性があります。 PCBの層は温度の変動に非常に敏感であり、熱くなりすぎたり冷たくなったりすると、膨張および収縮します。過度の熱は、さまざまなPCB層の長さ、幅、厚さの反りにつながる可能性があります。
- 回線の中断： 過度の熱は、回路の損傷にもつながる可能性があります。回路ラインは、過熱すると膨張して形状が変化します。これが発生すると、回路は周波数シフト、歪み、およびストレートロスの影響を受けやすくなります。それらの導体インピーダンスも、標準値の50オームからシフトする可能性があります。特にミリ波回路やマイクロ波回路には、高温で膨張・変形した場合に損傷を受けやすい、小さくて繊細な部品があります。
- 互換性のない材料膨張率： 上記の有害な影響は、さまざまな材料がさまざまな速度で膨張するという事実によって悪化します。 PCBには、誘電体層と導電性金属層の2つの基本的なタイプの層があります。それらは異なる材料を含んでいるため、熱に応じて異なる膨張をします。そのため、過熱しているPCBは、さまざまなタイプの層が引き離されるときにさらに損傷を受ける可能性があります。
- 酸化： PCBコンポーネントの酸化も、高温での懸念事項です。 PCBに露出した弁証法材料は、保護ラミネートコーティングがない場合、酸化に対する保護がありません。その場合、高熱にさらされた後、材料が錆びることがあります。多くの場合、伝送線路が失われ、誘電正接が高くなります。
PCBの温度を測定する前に、PCBの主要な熱源（通常はマイクロコントローラーまたはマイクロプロセッサー）を特定し、温度センサーを特定することが重要です。
また、通常は熱源の基板に取り付けられているアース（GND）ピンを見つける必要があります。 PCBで発生した熱の大部分は、これらのGNDピンを介して温度センサーに移動します。ピンは基板に接続されているため、温度センサーと熱源の間のPCBのどのコンポーネントよりも熱抵抗が最小です。
これらの情報を入手したら、温度監視を開始できます。 PCB温度測定には、通常、3つの異なるステップが含まれます。
- 温度センサーと熱源の間にグランドプレーンを配置します。
- 各温度センサーのGNDピンを熱源のグランドプレーンに接続します。
- PCB上で温度センサーと熱源が互いに接近していることを確認してください。
これらの手順に従うことで、一次熱源の温度、つまりPCB全体の温度を正確かつ正確に測定できるようになります。
PCBが耐えられる熱量は、PCBが構成されている材料によって異なります。最適な熱特性を備えた材料は、高熱の影響に対して信頼性の高い耐性を提供しますが、一部の材料は高温に対して信頼性が低くなります。ガラス転移温度（TG）として知られる測定基準は、この抵抗を示すのに役立ちます。たとえば、FR-4のTGは摂氏約135度です。
PCBは通常、摂氏150度の温度制限に耐えることができる場合、高温PCBとして定義されます。一部の高温PCBはさらに高い熱に耐えることができる場合がありますが、耐熱性の低い材料で製造されたボードは、はるかに低い温度でのみ安全に動作できます。高温PCBは、極端な温度が作業環境の一部である自動車や産業用アプリケーションなどのアプリケーションでますます一般的になっています。
1。散逸を引き起こすコンポーネントの誤動作
PCBの高熱の一般的な原因の1つは、PCB内の1つのコンポーネントが誤動作して散逸し、通常生成される量の電力を生成できないことです。これが発生すると、周囲のコンポーネントはそれを補うためにより多くの電力を生成する必要があります。より多くの電力を生成すると、過熱のリスクにつながります。
2。穴からの干渉
スルーホールコンポーネントとヒートシンクコンポーネントは、電力を供給するPCBのコンポーネントです。それらは熱を発生させ、それを空気中に放散させます。ヒートシンクが正しくはんだ付けされていない場合、またはPCBの別のコンポーネントがスルーホールに干渉している場合、他のコンポーネントは通常よりも多くの熱を発生して補償します。このシナリオは、過熱のリスクにもつながります。
3。表面実装デバイスの距離
表面実装デバイス（SMD）は、スルーホールコンポーネントと同じ方法でPCBに接続します。それらは、貫通穴およびヒートシンクコンポーネントを通る電流のよりスムーズな流れを可能にします。ただし、スルーホールコンポーネントとSMDは、互いに正しい距離に配置する必要があります。それらが遠すぎる場合、流れはさらに移動する必要があります。電流が移動するのに余分な時間がかかると、受信コンポーネントが長時間冷たくなりすぎる可能性があります。その場合、他のコンポーネントが過熱して補償する可能性があります。
4。高周波回路
高周波回路を使用するアプリケーションでは、高温になる可能性が特に高くなります。その理由は、より多くの電力を生成すると、自然により多くの熱が発生するためです。
たとえば、無線周波数回路は、PCBエンジニアリングで急成長している分野を表しています。これらの回路は非常に複雑ですが、医療および工業製品のワイヤレスセキュリティからスマートフォンまで、多くの有用なアプリケーションがあります。これらの高周波回路は大量の熱を発生する傾向があるため、これらのタイプのPCBには特別な設計技術が必要です。
5。鉛フリーはんだ
全体として、PCB業界は有害物質（RoHS）の制限に向かっています。 JSP PCBは鉛フリーはんだを使用しており、鉛フリーはんだは自由に流れることができるように高温を必要とします。
これまで見てきたように、PCBの温度上昇を防ぐことが重要です。しかし、どうすればPCBの熱を減らすことができますか？エンジニアは、いくつかの異なるPCB放熱技術を採用できます。
1。ヒートシンク
PCBにはすべての熱を発生するコンポーネントが含まれているため、PCBは基本的に熱を発生する工場です。 PCBには、そのすべての熱エネルギーを放散するための何らかの方法が必要です。一般的に、答えはヒートシンクに関係しています。ヒートシンクは熱を安全に放散するため、ボードが蓄積して損傷することはありません。
2。ファン
ほとんどの電子機器には冷却用のファンが含まれており、これらのファンの目的の一部はPCBの冷却を支援することです。冷却ファンは、冷気を取り入れながら電子機器から熱を分散させ、過熱を防ぎ、PCBの寿命と性能を延長するのに役立ちます。
3。材料とコンポーネントの検討
PCBの熱を減らすための最も効果的な戦略の1つである耐熱材料の選択。たとえば、厚い銅板で構成された重い銅のPCBは、耐久性と高温に耐える能力のために優れた選択肢となります。これらは、より高いレベルの電流を処理し、より長い時間、より高い温度に耐え、標準のPCBよりも強力な接続ポイントを提供します。これらの理由から、これらは自動車、航空、重機、電力変換器のアプリケーション、およびその他の頑丈な環境で特に役立ちます。
多くのPCBにはFR-4が含まれています。FR-4は難燃剤としては有用ですが、極端な高温には耐えられません。 PCBの構造にFR-4が含まれていることを知っていると、エンジニアは、材料が耐えられる以上の熱を発生しない回路を設計できます。
高周波回路で使用されるRF材料やポリアミドなどの材料も、高温に敏感です。ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）はRFボードで非常に一般的ですが、穴あけの熱で汚れることがあり、汚れを取り除くのは非常に困難です。これらの材料は、PCBではFR-4ほど一般的ではありませんが、エンジニアがこれらの材料を使用する場合は、設計に注意を払う必要があります。このような状況で高温ラミネートを使用することを強くお勧めします。
4。プレートの厚さと幅を増やす
PCBでは、厚いプレートは薄いプレートよりも熱を伝導しにくい傾向があります。高温に到達するにはより多くの電力が必要になるため、適切なエンジニアリングを行うことで、過熱、反り、破壊のリスクを軽減できます。
5。ラミネートの塗布
ラミネートの塗布は、高温による損傷を防ぐもう1つの方法です。高温PCBラミネートは、PCBのコンポーネントに熱保護を提供することにより、過熱を防ぐことができます。
高温ラミネートには、次の保護特性が必要です。
- ガラス転移温度（TG）：ガラス転移温度とは、ポリマーが熱力学的に剛体から軟質にシフトする温度を指します。 High-TGPCBは優れた保護を提供します。
- 層間剥離までの時間：高熱により、PCBラミネートが時間の経過とともに剥離する可能性があります。最高のラミネートは、高温で剥離するまでに長い時間がかかります。
- 吸湿：PCBラミネートには、信頼できる保護吸湿機能が必要です。 PCBが実験室のような空気制御された環境で動作する場合、吸湿は優先度が高くない可能性があります。ただし、PCBが要素にさらされる可能性のある環境で動作する場合は、適切な吸湿能力が重要です。
- 分解温度（TD）：分解温度とは、分解のためにラミネートの質量の5％が失われる温度を指します。高い分解温度は優れた保護を提供します。
- Z軸膨張：Z軸膨張とは、熱膨張係数のパーセンテージとしてのz軸に沿った材料の膨張を指します。より低いz軸拡張は、優れた保護も提供します。
6。 CTEの調整
熱膨張係数（CTE）は、高温にさらされたときに材料がどれだけ膨張するかを測定します。 PCB設計では、誘電体層が銅層と同様のCTEを持つことが理想的です。そうすれば、レイヤーが拡張する場合、それらは最小限の損傷につながる均一な方法で拡張します。
多層スタックでは、CTEが整列していない場合、層は根本的に異なる速度で膨張し、反りや破壊を引き起こす可能性があります。 PCBの組み立て中にこの不均一な膨張が発生した場合、ミスアライメントも掘削に深刻な問題を引き起こす可能性があります。
CTEの低いPCB材料を選択すると、過熱を防ぐのに役立ちます。たとえば、ガラス織物やマイクロガラス繊維を充填したPTFEは、優れた電気的特性を備えていますが、CTEも高くなっています。したがって、熱靭性が最優先事項である場合、この材料は不適切な選択です。一方、セラミックを充填したPTFEは、電気的特性が少し低下しますが、CTEが低く、高温での性能がはるかに優れています。
7。適切な間隔を維持する
PCB上のコンポーネントの間隔を決定することは、難しいプロセスになる可能性があります。ボードコンポーネントが近すぎると、クロストークが発生する可能性があります。つまり、異なるコンポーネントが望ましくない方法で相互作用し始める可能性があります。これらの望ましくない相互作用は、表皮効果として知られるものにつながります。表皮効果が発生すると、トレース抵抗が増加し、抵抗損失が発生して回路に熱が加わります。表皮効果は高周波PCBで特に一般的であるため、エンジニアはボードが過熱しないようにコンポーネントの間隔に特別な注意を払う必要があります。
8。ヒートパイプを正しく統合する
PCBのヒートパイプは、熱を分散させるのにも役立ちます。パイプ内の液体は熱を吸収し、ボードのコンポーネントに損傷を与えるのを防ぐことができます。
9。 RTIとMOTの最大化
相対熱指数（RTI）と最大動作温度（MOT）は、PCBの設計においてエンジニアが注意を払う必要のある2つの関連する測定値です。
RTIは、材料の特性を変更したり、性能を低下させたりすることなく、材料が処理できる最高温度を示します。 MOTとは、特定の回路基板構成が、その特性を変更したり、性能を低下させたりすることなく耐えることができる最高温度を指します。エンジニアは、PCBの設計においてこれらの両方の測定値を念頭に置き、これらの測定基準によって決定される堅牢な耐熱性を備えた材料と回路コンポーネントを選択する必要があります。
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