PCBの設計と製作における信頼性を最大限にする重くて極端な銅
Jul 05, 2018

様々なパワーエレクトロニクス製品が、さまざまな用途に合わせて毎日設計されています。 ますます、これらのプロジェクトは、プリント回路基板産業における増加する傾向、すなわち重銅および極端な銅PCBを利用しています。

重い銅回路を定義するものは何ですか? ほとんどの市販PCBは低電圧/低電力アプリケーション用に製造されており、銅トレース/プレーンは銅重量が1 / 2oz / ft2から3oz / ft2の範囲で構成されています。 重い銅回路は、4オンス/ ft2から20オンス/ ft2の間の銅重量で製造されています。 20オンス/平方フィート以上200オンス/フィート2までの銅重量も可能であり、極限銅と呼ばれている。

この議論の目的のために、我々は主に重銅に焦点を当てる。 適切な基板と結合された増加した銅重量とスルーホール内のより厚いメッキは、一度信頼性の低い弱い回路基板を耐久性のある信頼性の高い配線プラットフォームに変換する。

重い銅回路の構成は、以下のような利点を有するボードを与える:

熱ひずみに対する耐久性の向上

増加した電流容量

コネクタ部位およびPTH穴における機械的強度の増加

エキゾチックな材料は、回路の故障なしに完全な電位(すなわち、高温)で使用された

同じ回路層に複数の銅ウェイトを組み込むことで製品サイズを縮小しました(図1)

重い銅メッキされたビアは、基板に流れる電流を多く持ち、熱を外部のヒートシンクに伝えるのに役立ちます

最大120オンスの銅面を使用して基板表面に直接メッキされたオンボードヒートシンク

オンボードの高出力密度平面トランスフォーマー

欠点はほとんどありませんが、その能力と潜在的なアプリケーションを十分に理解するためには、重銅回路の基本構造を理解することが重要です。

図1:2オンス、10オンス、20オンス、30オンスの銅フィーチャーを同じレイヤーに使用したサンプル。

重銅回路の構造

両面または多層のいずれの標準的なPCBも、銅エッチングおよびめっきプロセスの組み合わせを用いて製造される。 回路層は、不要な銅を除去するためにエッチングされ、プレーン、トレース、パッドおよびめっきされたスルーホールに銅の厚さを付加するためにめっきされた銅箔の薄いシート(一般に0.5オンス/フィート2から2オンス/フィート2)として始まります。 すべての回路層は、FR-4またはポリイミドなどのエポキシベースの基板を使用して完全なパッケージに積層される。

重銅回路を組み込んだボードは、高速/ステップメッキやディファレンシャルエッチングなどの特殊なエッチング/メッキ技術を採用していますが、まったく同じ方法で製造されています。 歴史的に、重い銅の特徴は、厚い銅張積層基板材料をエッチングすることによって完全に形成され、不均一なトレース側壁および許容できないアンダーカットを引き起こした。 めっき技術の進歩により、めっきとエッチングの組み合わせにより重い銅の特徴が形成され、真っ直ぐな側壁が生じ、アンダーカットはごくわずかです。

重い銅回路をめっきすることにより、基板製造者はめっきされた穴及びビアの側壁の銅の厚さを増加させることができる。 重い銅と標準機能を1つのボードに混在させることが可能になりました。 レイヤ数の削減、低インピーダンス電力配分、フットプリントの縮小、コスト削減などのメリットがあります。

通常、大電流/高出力回路とその制御回路は、別々のボード上に別々に製造されていました。 巨大な銅めっきは、高電流回路と制御回路を統合して、高密度でしかも簡単な基板構造を実現することを可能にする。

重い銅の特徴は、標準回路にシームレスに接続できます。 デザイナーとファブリケーターが最終的な設計の前に製造公差と能力について議論するならば、重い銅と標準のフィーチャーを最小限の制約で配置できます(図2)。

図2:2オンス機能は制御回路を接続し、20オンス機能は大電流負荷を伝送します。

電流容量と温度上昇

どのくらい電流が銅線で安全に運べますか? これは、重い銅回路をプロジェクトに取り入れることを望むデザイナーがしばしば唱える質問です。 この質問は通常、別の質問で答えられます:あなたのプロジェクトはどれくらい熱を上げることができますか? この問題は、熱の上昇と電流の流れが両立しているために起こります。 これらの質問の両方に一緒に答えようとしましょう。

トレースに沿って電流が流れると、局所的な加熱をもたらすI2R(電力損失)があります。 トレースは、伝導(隣接する物質への)および対流(環境への)によって冷却される。 したがって、トレースが安全に運ぶことができる最大電流を見つけるためには、印加電流に関連する熱上昇を推定する方法を見つけなければなりません。 理想的な状況は、加熱速度が冷却速度に等しい安定した動作温度に達することである。 幸いにも、このイベントをモデル化するために使用できるIPC式があります。

IPC-2221A:外部トラックの電流容量の計算[1]:

I = .048 * DT(0.44)*(W * Th)(.725)

Iは電流(アンペア)、DTは温度上昇(℃)、Wはトレースの幅(ミル)、Thはトレースの厚み(ミル)です。 内部トレースは、同じ程度の加熱に対して50%(見積もり)でディレーティングする必要があります。 IPC計算式を使用して、図3を作成し、30℃の温度上昇を伴う異なる断面積のいくつかの痕跡の通電容量を示した。

図3:所与のトラック寸法(20℃の温度上昇)に対する近似電流。

受け入れられる熱量を構成するものは、プロジェクトごとに異なります。 ほとんどの回路基板誘電体材料は、周囲温度より100℃高い温度に耐えることができますが、この量の温度変化はほとんどの状況では受け入れられません。

回路基板の強度と存続可能性

回路基板メーカーと設計者は、標準FR-4(動作温度130℃)から高温ポリイミド(動作温度250℃)まで、さまざまな誘電体材料から選択できます。 高温または極端な環境では、エキゾチックな材料が必要ですが、回路トレースとメッキビアが標準1オンス/フィート2の場合、極端な条件下でも耐えられますか? 回路基板産業は、完成した回路製品の熱的完全性を決定するための試験方法を開発した。 熱ひずみは、Cuの熱膨張係数(CTE)とPWB積層体との間の差異が、亀裂の核生成および回路の故障への成長の推進力を提供する様々な基板製造、組立および修復プロセスから生じる。 サーマルサイクルテスト(TCT)は、回路が25℃〜260℃の空対空気サーマルサイクリングを受ける際の抵抗の増加をチェックします。

抵抗の増加は、銅回路の亀裂による電気的完全性の破壊を示す。 この試験のための標準的なクーポン設計は、熱応力にさらされたときに回路内で最も弱いと考えられていた長いめっきスルーホールのチェーンを利用しています。

0.8ミル〜1.2ミルの銅めっきを施した標準FR-4ボードで実施された熱サイクル試験では、8サイクル後に32%の回路が故障することが示されています(20%の抵抗の増加は故障とみなされます)。 エキゾチック材料で行われた熱サイクルの研究では、この不良率(シアネートエステルの8サイクル後に3%)が大幅に改善されていますが、材料コストが5〜10倍であり、処理が困難です。 平均的な表面実装技術アセンブリでは出荷前に最低4回のサーマルサイクルが発生し、各コンポーネントの修理に2回のサーマルサイクルが追加される可能性があります。

修理と交換のサイクルを経て合計9回または10回のサーマルサイクルに達したSMOBCボードにとっては、不合理ではありません。 TCTの結果は、基板の材質に関係なく、不良率が許容できなくなる可能性があることを明確に示しています。 プリント回路基板製造業者は、電気銅めっきが正確な科学ではないことを知っています。これは、基板全体の電流密度の変化と、多数の穴/ビアサイズによる銅の厚さ変動が最大25% 「薄い銅」のほとんどの部分はめっき穴の壁面にありますが、TCTの結果ではこれが明らかです。

重い銅回路を使用すると、これらの障害を完全になくすことができます。 穴の壁に2オンス/平方フィートの銅をめっきすると、故障率はほぼゼロになります(TCTの結果は、最小2.5milの銅メッキで標準FR-4の8サイクル後に0.57%の故障率を示します)。 実際には、銅回路は熱サイクルによってその上に置かれた機械的応力に対して不浸透性になる。

熱管理

設計者がプロジェクトから最大限の価値とパフォーマンスを得るために努力するにつれて、プリント回路はますます複雑になり、より高い電力密度に追いやられています。 小型化、電力部品の使用、過酷な環境条件および大電流要求は、熱管理の重要性を高める。 熱の形で損失が大きくなることは、電子機器の動作でしばしば発生し、その発生源から消散して環境に放出されなければならない。 そうしないと、コンポーネントが過熱し、故障の原因となります。 しかし、重い銅回路は、I2R損失を低減し、貴重な部品から熱を逃がすことによって、故障率を劇的に低減することによって役立ちます。

回路基板の表面および表面上の熱源からの適切な熱放散を達成するために、ヒートシンクが使用される。 ヒートシンクの目的は、伝導によって発電源から熱を放散し、この熱を環境への対流によって放出することです。 ボードの片側の熱源(または内部熱源)は、銅ビア(「ヒート・バイア」とも呼ばれます)によって、ボードの反対側の大きな裸の銅領域に接続されています。

一般に、古典的なヒートシンクは、この裸の銅表面に熱伝導性接着剤によって結合されているか、場合によってはリベット留めまたはボルト止めされている。 ほとんどのヒートシンクは銅またはアルミニウム製です。 古典的なヒートシンクに必要な組立工程は、3つの労働集約的で高価な工程からなる。

まず、ヒートシンクとして機能する金属は、必要な形状に打ち抜かれるか、または切断されなければなりません。 回路基板とヒートシンクとの間の精密嵌合のために、接着剤層を切断または打ち抜かなければならない。 最後に、ヒートシンクはPCB上に適切に配置されなければならず、パッケージ全体は、適切なラッカーまたはカバーコートで電気および/または耐食性のためにコーティングされなければならない。

通常、上記のプロセスは自動化できないため、手作業で行う必要があります。 このプロセスを完了するために必要な時間と作業は重要であり、結果は機械的に自動化されたプロセスに劣ります。 対照的に、内蔵ヒートシンクはPCB製造プロセス中に作成され、追加の組み立てを必要としません。 重い銅回路技術はこれを可能にする。 この技術により、ボードの外面のほぼどこにでも厚い銅ヒートシンクを追加することができます。 ヒートシンクは、表面に電気めっきされ、したがって、熱伝導性を妨げる界面がなくても、熱伝導ビアに接続される。

もう1つの利点は、熱ビアに追加された銅めっきであり、基板設計の熱抵抗を低減し、PCB製造に固有の精度と再現性を期待できることを認識しています。 平面巻線は、実際には銅張積層板上に形成された平坦な導電トレースであるため、円筒状のワイヤ導体と比較して全体の電流密度を改善する。 この利点は、表皮効果の最小化とより高い通電効率によるものです。

オンボードのプレーナは、すべての層の間に同じ誘電体材料を使用して、すべての巻線を完全にカプセル化するため、優れた1次から2次および2次から2次までの絶縁を実現します。 さらに、一次巻線は、二次巻線が一次巻線間に挟まれるようにこぼれ出すことができ、低漏れインダクタンスを達成する。 様々なエポキシ樹脂を選択して使用する標準的なPCBラミネーション技術は、10オンス/フィート2の厚さの銅巻線を50層まで安全に挟み込むことができます。

重銅回路の製造時には、めっきの厚さにかなりの影響があります。 したがって、トレースの分離とパッドのサイズを定義する際に余裕を持たなければなりません。 このため、設計者は設計プロセスの早い段階でボード・ファブリケーターを搭載することをお勧めします。

重銅回路を使用するパワーエレクトロニクス製品は、長年にわたって軍事および航空宇宙産業で使用されており、産業用アプリケーションの選択肢として勢いを増しています。 近い将来、市場の要求によってこのタイプの製品の適用が拡大されると考えられています。

参考文献:

IPC -2221A