軍用および航空宇宙アプリケーション向けの厚い/重い銅 PCB の設計上の問題

Mil/Aero 電子製品の PCB 要件

電子技術者が軍事/航空宇宙 (略して "mil/aero") アプリケーションの PCB 設計を準備する場合、いくつかの詳細と性能要件を考慮する必要があります。ミル製品と航空製品の両方が、複数の動作条件と幅広い動作温度範囲を必要とすることは一般的に知られています。砂漠のような極端な暑さや南極のような異常な寒さなど、複数の厳しい環境に耐えることができなければなりません。極端な温度とは別に、湿度も重要な考慮事項です。その結果、ミル/航空用途向けの PCB を設計するプロセスでは、温度や湿度など、製品の特別な作業条件を慎重に考慮する必要があります。

軍用および航空宇宙製品の信頼性は、PCB 設計エンジニアが注目しなければならない主な関心事です。製品の信頼性の重要な側面として、貯蔵寿命は主要な判断基準と見なされてきました。ミサイルを例にとってみましょう。ターゲットに当たるまで爆発することは許可されていません。つまり、通常は良性の環境で実行する必要があり、貯蔵寿命が比較的短いという特徴があります。エンジニアは、ミル/航空製品の信頼性が高いという理由だけで、軍事および航空宇宙産業に適用される回路基板の複雑さを軽減することを好んでいました。軍事および航空宇宙部門は、対応する業界で実現可能であることが証明されるまで、電子製品製造の新しい技術について知ることを躊躇します.しかし現在、ミル/航空電子製品の機能要件は、電子設計エンジニアが単純な設計アイデアと経験のみに固執することを妨げています。それらのいくつかは、新しく登場した PCB 製造技術を採用し始めています。

PCB の技術と複雑さが増すにつれて、電子技術者は、PCB 設計ルールと PCB 製造技術の両方に集中する必要があります。これにより、製品がセキュリティ、コスト、およびパフォーマンスの要件の間で最適なバランスを取り、製造リスクを最小限に抑えることができます。

PCB 製造の成功は、電子設計エンジニアと製造エンジニアの間の頻繁かつ円滑なコミュニケーションに依存していることを念頭に置く必要があります。設計エンジニアは、トレース幅、間隔、パッド サイズ、ビアの直径など、メーカーの詳細な能力を十分に認識している必要があります。さらに、PCB のタイプ、材料、スルーホール構造、電力に関するすべての要件を考慮する必要があります。

MIL/Aero 製品の設計に関しては、エンジニアは MIL 規格に準拠する必要があります。他の品質基準も参照として適用できます。たとえば、その検査項目と品質基準には IPC 規格を使用できます。

現在、人々は幅広い性能パラメータのバリエーションをカバーする高速伝送基板材料を好む傾向にあります。より複雑な電子製品の構造では、基板サプライヤーが提供するデータシートは、あるタイプの基板材料が他のタイプよりも優れた性能を発揮することしか示していません。それにもかかわらず、PCB メーカーの経験を過小評価することはできません。なぜなら、特に実際の状況に応じて、基板材料の性能をある程度認識しているからです。たとえば、PCB 設計者はリードのインピーダンスを把握できますが、製造方法が異なると、インピーダンスが設計要件に適合しなくなる可能性があります。

構造は、不要なコストを回避したり、複雑な構造に起因するリスクを軽減したりするのに役立つため、ミル/エアロPCBでも重要な役割を果たします。また、より複雑な軍事/航空電子製品では、その構造も製品の製造可能性に影響します。

歴史的に、コストの問題は、軍事および航空宇宙の電子製品ではめったに考慮されませんでした。しかし、製品の製造コストを上げることは、実際には製造プロセスにおけるリスクの低減に有益であり、価値があることは認めざるを得ません。 PCB 導入の手順では、研究開発期間を延長し、製造手配前にデータの整合性を確認することで、リスクを抑えることができます。

Mi/Aero アプリケーション向けの厚い/重い銅 PCB

• 定義

高出力のミル/航空電子製品は、PCB に新しい要件をもたらし、厚い/重い銅 PCB または極端な銅 PCB の作成を引き起こします。重銅 PCB とは、銅の厚さが 137.2μm から 686μm の範囲内にある導体を特徴とする回路基板を指し、銅の厚さが 686μm を超えるか、または 6860μm に達する回路基板は極度の銅 PCB と呼ばれます。

厚銅 PCB の構造上の利点は次のとおりです。
a.プリント基板の耐ストレス能力を高め、熱ストレスに耐えることができる;
b.電流容量を運ぶ PCB の強化;
c.冷却フィンを組み立てる必要なしに、PCB の放熱能力を高める。
d.層間のレイアップとスルーホールの機械的強度の向上;
e.ボード上に配置された高電力の平面トランスに適用できます。

各コインには両面があります。これらの利点とは別に、重い銅 PCB にはいくつかの欠点もあります。潜在的な機能とアプリケーションをどのように活用するかを明確に理解できるように、厚銅 PCB の構造に関する両方の側面を認識することは重要です。

• 厚銅 PCB の構築

標準 FR4 PCB と同様に、厚銅 PCB は、高速めっきや偏差エッチングなどの特殊なエッチングおよびめっき技術を適用した同じ製造方法を特徴としています。かつて、エッチングだけで重い銅基板を製造しようとしたことがありました。この方法で製造された回路基板の中には、エッジラインの不均一性と余白のオーバーエッチングによるスクラップが発生したものがあります。それを避けるために、高度なめっきおよびエッチング技術が後で適用され、ストレート エッジと最適なマージン エッチングが実現されました。

重い銅 PCB のめっきにより、PCB 製作者は、めっきされたスルーホール壁とスルーホール壁の両方を厚くすることができます。これには次のような利点があります。
a.層数の縮小;
b.インピーダンス分布の減少;
c.包装の最小化;
d.製造コストの削減。

重い銅 PCB は、通常の基板にシームレスに取り付けることができます。回路基板のトレースと最小間隔、および許容範囲と製造能力の範囲については、本格的な製造の前に、設計エンジニアと製造業者の間で話し合いによって決定する必要があります。

• 電流容量と温度上昇

厚銅 PCB はどれくらいの電流を流すことができますか?この質問は、通常、電子設計エンジニアによって異なります。これには、銅の厚さと幅が含まれ、最大温度上昇は重い銅 PCB が決定に耐えることができます。この質問は、実行中に重い銅 PCB が発生する熱が電流と密接に関係しているため、そのように出てきます。

電流がワイヤを通過するため、走行中の電力消費率は元の電力の 12% であるため、失われた電力は局所的に遷移熱を生成し、熱伝導によって周囲に放散されます。重い銅 PCB 上のワイヤが耐えられる最大電流を見つけ、温度上昇と対応する印加電流を判断する方法を掘り下げる必要があります。 IPC-2221A のガイドラインによると、外部ワイヤによる通電容量を示す式が利用可能です:I =0.048 x DT ^0.44 x 幅 x 厚さ ^0.725 .

この式では、I は電流 (単位:A) を指します。 DT は温度上昇 (単位:°C) を指します。 W は線幅 (単位:μin) を指します。 Th はトレースの厚さ (単位:μin) を指します。内部トレースの電流容量は外部トレースの 50% です。

式に従って、表 1 は、さまざまな断面積の温度 30°C での通電容量を示す通電容量をまとめたものです。

表 1 固定配線幅での通電電流 (A) (温度上昇は 30°C)

PCBメーカーや設計者は、動作温度130℃の一般的なFR-4エポキシ樹脂基板材料から高Tg基板材料まで、さまざまな性能の基板材料を利用できます。これまで、完成した PCB 製品の耐熱品質をテストする一連の方法が開発されてきました。銅と基板材料の間の熱膨張率の違いにより、それらの間に「推進力」が生じます。つまり、実際には熱応力がひび割れ、集合、成長につながる可能性があり、最終的に PCB を故障させます。

熱衝撃に対するスルーホールの循環試験では、32個の連続メッキスルーホールのセットが基板上のサンプルとして設計され、熱衝撃試験後にその状況が確認されます。最初に失敗したメッキ スルー ホールは、回路基板が耐えられる熱応力として決定されます。熱衝撃循環に重い銅 PCB を適用すると、障害が減少または排除されます。

• 熱放散分析

電子部品が動作する過程で、熱源 (部品) によって生成され、周囲に放射されなければならない熱という形で、大きな電力損失が発生します。そうしないと、コンポーネントが過熱したり、故障したりする可能性があります。ただし、重い銅 PCB は、他のタイプの回路基板よりも効果的に熱を放散できるため、基板の故障率は劇的に減少します。

熱を逃がしやすくするために、熱伝導、輻射、対流などにより、放散した熱を空気中に押し出すタイプの冷却フィンが求められます。通常、冷却フィンの熱源の反対側は、銅メッキ スルー ホールを介して銅領域に接続されます。

一般的に言えば、通常の冷却フィンは、熱伝導によって PCB 上の銅コーティング領域に接続されます。リベットやネジで接続する場合もあります。ほとんどの冷却フィンは銅またはアルミニウムでできています。

したがって、PCB 製造中に冷却フィンを組み立てることは非常に重要であり、これは重い銅 PCB で実現できます。回路基板の表面の銅層は、電気めっきによって厚くすることができ、基板表面の熱伝導特性を向上させます。この方法のもう 1 つの利点は、サーマル スルーホール銅めっき層を厚くすることができ、重い銅 PCB の熱抵抗を減らすことができることです。

重銅 PCB が軍事および航空宇宙産業で大電力コンポーネントを運ぶために採用されてから長い時間が経ちましたが、近い将来、このタイプの重銅 PCB がさまざまな産業で広く適用されるようになるでしょう。

役立つリソース:
• 厚銅 PCB とその製造サービス
• 銅の重量、配線幅、電流容量の関係
• 知っておくべき重要な PCB 設計ルール
• PCBCart のフル機能 PCB 製造サービス - 複数の付加価値オプション
• PCBCart の高度な PCB アセンブリ サービス - 1 個から開始