PCB温度管理の包括的ガイド

目次:

• PCB温度の測定方法
• PCBが耐えられる熱の限界
• PCB高温の一般的な原因
• PCB高温防止策
• MCLへすべてのPCBニーズについてお問い合わせ

温度は、プリント基板（PCB）における安全性、信頼性、性能の重要な要素です。高温はすぐに誤動作と永久的な損傷を引き起こす可能性があります。

いくつかの状況がPCBの動作に熱を導入する可能性があります。PCBに搭載された部品が過剰な熱を発生させる場合があります。外部要素（例えば、航空宇宙システムや医療アプリケーションのような複雑なシステム内の別の部品）が過剰な熱を発生させる場合があります。換気不足によりPCB内に熱が蓄積する場合があります。またはPCB組み立て中に、穴あけと半田付けで発生する熱が部品に不当な熱ストレスを与え、不良基板を生む可能性があります。

理由が何であれ、エンジニアはPCBが必然的に遭遇する高熱ストレスを生き延びられるよう、熱を管理する方法を必要としています。効果的なPCB放熱技術とPCB温度上昇防止策には何があるでしょうか？ 以下で詳しくお答えします。

PCB温度監視が重要な理由

PCB温度の監視は、高温がPCBの構造を変化させ、性能を低下させたり破壊したりする可能性があるため、非常に重要です。

PCB温度測定も重要です。高温による問題は局所的に留まらず、PCBの他の部品に急速に広がり、連鎖的な誤動作と損傷を引き起こす可能性があるからです。

PCBの過剰な熱は以下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： 過剰な熱はPCBの完全性を損なう可能性があります。PCBの層は温度変動に非常に敏感で、熱くなりすぎたり冷えすぎたりすると膨張と収縮を繰り返します。過剰な熱は、異なるPCB層の長さ、幅、厚さの歪みを引き起こす可能性があります。
• 回路ラインの破壊： 過剰な熱は回路損傷も引き起こします。回路ラインは過熱すると膨張し形状が変化します。これが起こると、回路は周波数シフト、歪み、ストレート損失の影響を受けやすくなります。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。ミリ波回路とマイクロ波回路は特に、高温で膨張・変形すると容易に損傷を受ける微小で繊細な部品を持っています。
• 材料膨張率の不整合： 上記の悪影響は、異なる材料が異なる速度で膨張するという事実によって複合されます。PCBには誘電体層と導電性金属層の2つの基本的な層タイプがあります。異なる材料を含むため、熱に対する反応として異なる膨張を示します。したがって、過熱したPCBは、異なるタイプの層が互いに引き離されることでさらなる損傷を経験する可能性があります。
• 酸化： 高温でのPCB部品の酸化も懸念されます。保護ラミネートコーティングがない場合、PCBの露出した誘電体材料は酸化から保護されません。その場合、高熱にさらされた後、材料が錆びる可能性があります。伝送ラインの損失とより高い損失因子がしばしば結果として生じます。

PCB温度の測定方法

PCB温度を測定する前に、PCBの主要熱源（通常はマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサ）を特定し、温度センサーの位置を特定することが不可欠です。

また、グランド（GND）ピンを見つける必要があります。これらは通常、熱源の基板に接続されています。PCBで発生する熱の大部分は、これらのGNDピンを通じて温度センサーに移動します。ピンが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のどの部品よりも熱抵抗が最小です。

これらの情報が揃えば、温度監視を開始できます。PCB温度測定は通常、以下の3つのステップで行われます：

1. 温度センサーと熱源の間にグランドプレーンを配置する。
2. 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する。
3. 温度センサーと熱源がPCB上で互いに近い位置にあることを確認する。

これらのステップに従うことで、主要熱源、ひいてはPCB全体の温度を精度よく測定できます。

PCBが耐えられる最高温度は？

PCBが耐えられる熱量は、その構成材料によって異なります。最適な熱特性を持つ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あまり確実に耐えられません。ガラス転移温度（TG）として知られる指標がこの耐性を示すのに役立ちます。例えば、FR-4のTGは約135℃です。

PCBは通常、150℃の温度限界に耐えられる場合、高温PCBと定義されます。一部の高温PCBはさらに高い熱に耐えられる場合がありますが、耐熱性の低い材料で製造された基板は、はるかに低い温度でしか安全に動作できません。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で、ますます一般的になっています。

PCB高温の一般的な原因

1. 部品故障による放熱

PCB高温の一般的な原因の1つは、PCB内の1つの部品が故障し放熱し、通常生成する電力量を生成できなくなることです。これが起こると、周囲の部品が補償するためにより多くの電力を生成しなければなりません。より多くの電力生成は過熱のリスクをもたらします。

2. スルーホール干渉

スルーホール部品とヒートシンク部品は、PCBに電力を供給する部品です。これらは熱を発生させ、空気中に放散します。ヒートシンクが正しく半田付けされていない場合、またはPCBの別の部品がスルーホールを妨害している場合、他の部品が通常より多くの熱を生成して補償します。このシナリオも過熱のリスクをもたらします。

3. 表面実装デバイス（SMD）の距離

表面実装デバイス（SMD）は、スルーホール部品と同様にPCBに接続します。これらはスルーホールとヒートシンク部品を通じた電流のよりスムーズな流れを可能にします。しかし、スルーホール部品とSMDは互いに正しい距離に配置されている必要があります。離れすぎている場合、電流はより遠くまで移動しなければなりません。電流が移動するのに余分な時間がかかると、受信側の部品が長く冷えたままになります。これが起こると、他の部品が補償のために過熱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、高温が特に発生しやくくなります。理由は、より多くの電力生成が自然により多くの熱を生むためです。

無線周波数回路は、例えばPCBエンジニアリングで急成長している分野を代表します。これらの回路は高度に複雑ですが、医療・産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莫大な熱を生成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. 鉛フリー半田

全体として、PCB業界は有害物質制限（RoHS）に向かっています。RoHS PCBは鉛フリー半田を使用し、鉛フリー半田は自由に流れるために高温を必要とします。

PCB高温防止策

見てきたように、PCB温度上昇を防ぐことは極めて重要です。しかし、PCBの熱をどう減らせばよいのでしょうか？ 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は基本的に、含まれるすべての発熱部品により発熱工場のようなものです。PCBにはそのすべての熱エネルギーを放散する方法が必要です。一般的に、答えはヒートシンクにあります。ヒートシンクは熱を安全に放散し、蓄積して基板を損傷させないようにします。

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、それらのファンの目的の一部はPCBの冷却を助けることです。冷却ファンは電子機器から熱を排出し、冷たい空気を取り入れ、過熱を防ぎ、PCBの寿命と性能を延ばします。

3. 材料と部品の考慮

耐熱性材料を選択することは、PCBの熱を減らす最も効果的な戦略の1つです。例えば、厚い銅プレートで構築された厚銅PCBは、耐久性と高温耐性に優れ、優れた選択肢となります。標準PCBよりも高い電流レベルを処理し、より長い時間高温に耐え、より強力な接続ポイントを提供します。これらの理由から、自動車、航空、重機、電力変換アプリケーション、その他の過酷な環境で特に有用です。

多くのPCBにはFR-4が含まれています。これは難燃剤として有用ですが、極めて高い温度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ることで、エンジニアは材料が耐えられる以上の熱を発生させない回路を設計できます。

RF材料（無線周波数回路で使用）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基板で非常に一般的ですが、穴あけの熱でスミアが発生し、そのスミアは除去が非常に困難です。これらの材料はFR-4ほどPCBで一般的ではありませんが、エンジニアはこれらの材料を扱う場合も設計に注意を払うべきです。このような状況では高温ラミネートの使用が強く推奨されます。

4. プレート厚と幅の増加

PCBでは、厚いプレートは薄いものよりも熱を効果的に伝導しません。高温に達するにより多くの電力を必要とするため、適切なエンジニアリングにより、過熱、歪み、破壊のリスクを減らすのに役立ちます。

5. ラミネートの施工

ラミネートを施工することは、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部品への熱保護を提供することで過熱を防止できます。

高温ラミネートには以下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性から柔らかさへ移行する温度を指します。高TG PCBは優れた保護を提供します。
• 剥離までの時間： 高熱は時間とともにPCBラミネートを剥離させ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を要します。
• 吸湿性： PCBラミネートは信頼性の高い保護的吸湿能力を持つべきです。PCBが実験室のような空調環境で動作する場合、吸湿性は高い優先順位ではないかもしれません。しかし、PCBが外気にさらされる環境で動作する場合、適切な吸湿能力は極めて重要です。
• 分解温度（TD）： 分解温度とは、分解により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材料のZ軸方向の膨張を指します。Z軸膨張が低いことも優れた保護を提供します。

6. CTEの整合

熱膨張係数（CTE）は、材料が高温にさらされたときにどれだけ膨張するかを測定します。PCB設計では、誘電体層のCTEが銅層のCTEと類似しているのが理想的です。そうすれば、層が膨張する場合でも、最小限の損傷につながる均一な方法で膨張します。

多層スタックでCTEが整合していない場合、層は根本的に異なる速度で膨張し、歪みと破壊を引き起こす可能性があります。この不均一な膨張がPCB組み立て中に発生すると、ミスアライメントが穴あけにも深刻な問題を引き起こす可能性があります。

より低いCTEを持つPCB材料を選択することは過熱防止に役立ちます。例えば、織りガラスやマイクロガラス繊維で充填されたPTFEは優れた電気的特性を持ちますが、高いCTEも持ちます。したがって、熱的強靭性が最優先事項の場合、この材料は不適切な選択です。一方、セラミックで充填されたPTFEはより低いCTEを持ち、高温で 훨씬 더 잘 수행하지만、電気的特性ではわずかに劣ります。

7. 適切な間隔の維持

PCB上の部品間隔を決定するのはトリッキーなプロセスです。基板部品が互いに近すぎると、クロストークが発生する可能性があります。つまり、異なる部品が望ましくない方法で相互作用し始めます。これらの望ましくない相互作用はスキン効果として知られる現象を引き起こします。スキン効果が発生すると、トレース抵抗が増加し、抵抗損失をもたらし、回路に熱を加えます。スキン効果は特に高周波PCBで一般的なため、エンジニアは基板の過熱を防ぐために部品間隔に細心の注意を払う必要があります。

8. ヒートパイプの正しい統合

PCB内のヒートパイプも熱を分散させるのに役立ちます。パイプ内の液体が熱を吸収し、基板の部品を損傷させないようにします。

9. RTIとMOTの最大化

相対熱指数（RTI）と最高動作温度（MOT）は、PCB設計においてエンジニアが注意深く考慮すべき2つの関連測定値です。

RTIは、材料がその特性の変化や性能の低下なしに処理できる最高温度を示します。MOTは、特定の基板構成がその特性の変化や性能の低下なしに耐えられる最高温度を指します。エンジニアはPCB設計においてこれら両方の測定値を念頭に置き、これらの指標で決定される堅牢な耐熱性を持つ材料と回路部品を選択すべきです。

MCLへすべてのPCBニーズについてお問い合わせください

温度制御向けに設計されたPCBが必要なとき、ミレニアムサーキッツリミテッドをエンジニアリングソリューションの信頼できるプロバイダーとしてご利用ください。当社の高温PCBラミネートはPCB過熱リスクを低減し、厚銅PCBと高TG PCBは高温に耐える優れた能力を提供します。また、お客様の仕様に合わせたカスタムPCBの設計もお手伝いできます。

今日、お見積もりまたは詳細についてお問い合わせください。

 

無料お見積もり依頼