軍事・航空宇宙向け厚銅/重銅PCBの主要設計課題

軍事/航空電子製品へのPCB要求

電子エンジニアが軍事/航空宇宙（以下「ミル/エアロ」）用途向けPCB設計を準備する際、いくつかの詳細と性能要件を考慮する必要があります。一般にミルとエアロ製品は複数の動作条件と広範囲の動作温度を要求されます。砂漠のような極端な高温や、南極のような極寒など、複数の厳しい環境に耐えられる必要があります。極端な温度に加え、湿度も重要な考慮事項です。したがって、ミル/エアロ用途向けPCB設計プロセスでは、温度と湿度など製品の特殊な動作条件を慎重に考慮する必要があります。

軍事・航空宇宙製品の信頼性は、PCB設計エンジニアが注力しなければならない主要懸念事項です。製品信頼性の重要な側面として、保存寿命は主要な判断基準と見なされてきました。ミサイルを例に取ると、目標に命中するまで爆発してはならず、良性環境で正常動作し、比較的短い保存寿命を持つ必要があります。エンジニアは、ミル/エアロ製品の高信頼性ゆえに、単純な設計思想と経験のみに固執し、回路基板の複雑さを低減することを好んできました。軍事・航空宇宙部門は、対応する産業で実証可能になるまで、電子製品製造の新技術を知ることを躊躇してきました。しかし現在、ミル/エアロ電子製品の機能要求により、電子設計エンジニアは単純な設計思想と経験のみに固執できなくなっています。一部のエンジニアは新たに出現したPCB製造技術を受け入れ始めています。

PCB技術と複雑さの増大に伴い、電子エンジニアはPCB設計ルールとPCB製造技術の両方に集中し、製品が安全性、コスト、性能要求の最適バランスに達し、製造リスクを最小化できるようにする必要があります。

成功するPCB製造は、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ます。これは常に念頭に置くべきです。設計エンジニアは、トレース幅、スペース、パッドサイズ、ビア径など、メーカーの詳細な能力を完全に把握すべきです。さらに、PCBタイプ、材料、スルーホール構造、電源など、すべての要件を考慮に入れる必要があります。

ミル/エアロ製品設計では、MIL規格に準拠すべきです。他の品質規格も参照として適用可能です。例えば、IPC規格を検査項目と品質基準の参照として使用できます。

現在、高速伝送基板材料への嗜好が見られ、広範囲の性能パラメータ変動をカバーしています。より複雑な電子製品構造では、基板材料サプライヤーが提供するデータシートでは、あるタイプの基板材料が他タイプより優れていることしか示せません。それでも、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、彼らは実際の状況に応じて、ある程度本物の基板材料性能を把握しているからです。例えば、PCB設計者がリードインピーダンスを算出できても、異なる製造手法によりインピーダンスが設計要求と不適合になる可能性があります。

構造もミル/エアロPCBで重要な役割を果たします。なぜなら、不要なコストを回避したり、複雑構造から生じるリスクを低減したりできるからです。より複雑なミル/エアロ電子製品では、構造が製品の製造可能性にも影響します。

歴史的に、軍事・航空宇宙電子製品ではコスト問題がほとんど考慮されてきませんでした。しかし、製品製造コストの増大が実際には製造プロセスでのリスク低減に有益であり、結局のところ価値があることを認めざるを得ません。PCB導入手順では、研究開発期間を延長し、製造手配前にデータ完全性を見直すことでリスクを低減できます。

ミル/エアロ用途向け厚銅/重銅PCB

定義

高電力ミル/エアロ電子製品はPCBに新たな要求をもたらし、厚銅/重銅PCB、さらには極厚銅PCBの創出を促しました。重銅PCBとは、導体の銅厚が137.2μm〜686μmの範囲にある回路基板を指し、銅厚が686μmを超えるか6860μmに達する回路基板を極厚銅PCBと呼びます。

重銅PCBの構造的利点には以下が含まれます：

• 熱応力に耐え、PCBの耐ストレス能力を向上
• PCBの電流搬送能力を強化
• 冷却フィンを実装せずにPCBの放熱能力を向上
• 層間およびスルーホールの積層機械的強度を強化
• 基板上に高電力プラナートランスを実装可能

表には裏があります。これらの利点のほか、重銅PCBには欠点も存在します。重銅PCBの構造に関する両側面を認識することは、潜在的機能と応用をどのように活用できるかを明確に理解する上で重要です。

重銅PCBの構造

標準FR-4 PCBと同様に、重銅PCBは同じ製造方法を採用し、高速めっきや偏差エッチングなどの特殊エッチングとめっき技術を適用します。過去しばらくの間、エッチングのみで重銅PCB製造を試みたことがあります。この方法で製造された一部の基板は、エッジラインの不均一とマージンの過剰エッチングによりスクラップとなりました。これを回避するため、後に高度なめっきとエッチング技術が適用され、直線的なエッジと最適なマージンエッチングが実現されました。

重銅PCBへのめっきにより、PCB製造業者はスルーホール壁とスルーホール壁の両方を厚くできます。その利点には：

• 層数の削減
• インピーダンス分布の低減
• パッケージングの最小化
• 製造コストの削減

重銅PCBは通常基板とシームレスに接合できます。回路基板上の配線と最小スペース、公差と製造能力の範囲内では、本格的な製造前に設計エンジニアとメーカー間の協議で決定する必要があります。

電流搬送能力と温度上昇

重銅PCBがどれだけの電流を搬送できるか？この質問は通常電子設計エンジニアに依存します。銅厚と幅、重銅PCBが耐えられる最大温度上昇の決定を含みます。この質問が出るのは、重銅PCB動作時に発生する熱が電流と密接に関連しているためです。

電流がワイヤを流れると、動作時の電力消費率は元の電力の12%であり、失われた電力が局所的に遷移熱を生成し、熱伝導の形で周囲に放散されます。重銅PCB上のワイヤが耐えられる最大電流を見出し、温度上昇と対応する印加電流を判断する方法を掘り起こす必要があります。IPC-2221Aガイドラインによれば、外部配線による搬送電流容量を示す式が利用可能です：I = 0.048 × DT^0.44 × W × Th^0.725。

この式で、Iは電流（単位：A）、DTは温度上昇（単位：℃）、Wは線幅（単位：μin）、Thはトレース厚（単位：μin）です。内部トレースの電流搬送能力は外部トレースの50%です。

この式に従い、表1は断面積違いで温度上昇30℃での搬送電流をまとめています。

表1 固定トレース幅での搬送電流（A）（温度上昇30℃）

PCBメーカーと設計者には、動作温度130℃の一般的なFR-4エポキシ基板材料から高Tg基板材料まで、異なる性能の基板材料が利用可能です。現在、完成PCB製品の耐熱品質を試験する一連の方法が開発されています。銅と基板材料の熱膨張係数の差により、それらの間に「駆動力」が生成され、これが実際には熱応力であり、クラックの発生、集合、成長を招き、最終的にPCBを故障に導きます。

スルーホールの熱衝撃耐性循環試験では、基板上に32個の直列スルーホールをサンプルとして設計し、熱衝撃試験後にそれらの状態をチェックします。最初に故障したスルーホールが、基板が耐えられる熱応力として決定されます。重銅PCBの熱衝撃循環への適用は、故障を低減または排除します。

放熱分析

電子部品動作時に高電力損失が熱の形で発生し、熱源（部品）によって生成され、周囲に放射される必要があります。そうでなければ部品は過熱または故障を被ります。しかし、重銅PCBは他のタイプの回路基板より効果的に熱を放散できるため、基板故障率を大幅に低減できます。

熱を容易に放散させるため、冷却フィンが要求され、熱伝導、放射、対流により熱を空気中に押し出します。通常、冷却フィンの熱源側とは反対側が、スルーホール銅めっきを通じて銅ベタ領域に接続されます。

一般に、通常の冷却フィンは熱伝導によりPCB上の銅ベタ領域に接続されます。リベットやネジで接続される状況もあります。ほとんどの冷却フィンは銅またはアルミニウム製です。

したがって、PCB製造時に冷却フィンを実装することは非常に重要であり、重銅PCBで実現可能です。基板表面の銅層を電気めっきで厚くすることで、基板表面の熱伝導特性を改善できます。この手法のもう一つの利点は、熱スルーホール銅めっき層を厚くでき、重銅PCBの熱抵抗を低減できることです。

軍事・航空宇宙産業で大電力部品を搭載するために重銅PCBが長年採用されてきたため、このタイプの重銅PCBは近い将来、さまざまな産業で広く応用されるでしょう。

参考資料

• 厚銅PCBとその製造サービス
• 銅箔厚、トレース幅、電流搬送能力の関係
• 知っておくべき主要PCB設計ルール
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 多彩な付加価値オプション
• PCBCartの高度なPCB実装サービス - 1個から対応