ホームページ > ブログ > ナレッジベース > メタルコアPCB（MCPCB）について
技術の進化に伴い、電子機器はますます高性能化しており、それに伴い過熱などの様々な問題も発生しています。メタルコアプリント基板（PCB）、またはMCPCBとも呼ばれるメタルコアPCBは、今日の電子機器、特に効果的な熱管理が求められる機器において、ますます魅力的なコンポーネントとなっています。これらのメタルコア回路基板は、小型で高出力のシステムの熱制御に最適です。
電子機器におけるメタルコアPCBの利点について解説し、あらゆる電子プロジェクトの潜在能力を最大限に引き出す高出力電子部品について考察します。アルミPCB、銅コアPCB、ハイブリッドメタルコア基板など、どの基板を扱う場合でも、適切なメタルコアPCBメーカーまたはMCPCBメーカーを選ぶことが重要です。
この種の回路基板には、絶縁金属基板PCB、アルミクラッドPCB、アルミベースPCB、金属PCBなど、様々な名称があります。これらの用語はすべて、様々な種類の金属コアプリント基板、または金属コアPCBを指し、その利点と特性は概ね同じです。
メタルコアPCB回路基板は、その名の通り、基板の放熱部付近に金属ベースコアを備えています。PCBの金属コアは、基板裏面の中央または外側の背面に配置されます。この設計は、アルミニウムPCBと銅コアPCBの両方を含む、様々なメタル回路基板のバリエーションで共通しています。
金属は高い熱伝導性を有しており、これは回路基板にとって非常に重要です。金属コアは、PCBの主要な電子部品から金属ヒートシンクのバッキングやコアなどの重要な部品へと熱を逃がすことで、冷却システムにおいて重要な役割を果たします。
対象となる電子機器の用途に応じて、メタルコアPCB回路基板は片面または両面にすることができます。ただし、多層メタルコアPCBは製造プロセスの複雑さから、広く普及していません。
一般的な回路基板はFR4またはCEM3を使用していますが、メタルコアPCB基板は金属コアを使用しています。メタルコアPCB基板は放熱性に加え、機械的な安定性を提供し、回路層と部品間の電気的絶縁を維持します。
メタルコアPCBには、アルミニウム、銅、またはメタルコアが使用されています。場合によっては、メタルコアは複数の特殊合金の混合物であることもあります。例えば、真鍮や鋼を使用することもできますが、硬すぎて基板を複数の部品に分解するのが困難になるため、推奨されません。
アルミコアPCBは、メタルコアPCB回路基板の中で最も一般的なタイプです。熱を多く放出する部品から発生する熱を基板から効率的に伝導します。これにより、PCB全体にわたって放熱がより均一になります。
一部の PCB には銅コアも搭載されており、熱伝導性が向上し、コンポーネント内の動作温度を下げるのに役立ちます。
銅は過熱しやすい電子機器には最適な選択肢ですが、アルミニウムに比べて高価です。金属コアPCBメーカーは主に以下の状況で銅コアを使用しています。
● 片面単層： 冷却用の銅製の台座を単層に備えた PCB。
● 銅充填レーザーサーマルビアマトリックス： 金属ベースの回路基板では、銅を充填したビアがレーザードリル加工され、通常のビアに比べて熱伝導性を向上させるネットワークが形成されます。
● 両面台座： 両面 PCB では、熱をより速く放散させるために、両面に銅ベースの台座が付いています。
一般的な金属コア PCB の構造には、はんだマスク層、誘電体層、および下部の金属コアが含まれます。
最初の層はソルダーレジスト層で、その下に回路層と銅層が続きます。これらの層は、金属コア層である誘電体の上に配置されます。上部の銅箔層は、回路パターンが形成された薄い銅箔で構成されています。この層の厚さは1オンスから4オンス（平方フィートあたりのオンス数）の範囲です。
最内層は誘電体層として機能し、金属コアと銅箔を分離するとともに、層間の熱伝達を促進します。
メタルコアは最下層です。使用される金属は通常アルミニウムで、厚さは1mmから3.2mmです。メタルコアはヒートスプレッダーとして機能し、発熱部品からの熱を吸収・放熱します。PCBの中で最も厚い層であり、基板の剛性を高め、平坦性を維持します。
コアにより、回路基板はすべての標準基板取り付けハードウェアと互換性があるほど厚くなり、基板の露出した金属部分は表面仕上げやはんだマスクで覆われません。
メタルコアPCBの金属コアは高い熱伝導率を有し、通常1W/mK～9W/mKです。この高い熱伝導率と約100µmの薄い絶縁層を組み合わせることで、基板は熱を素早く伝達します。
メタルコアPCBは、優れた熱性能、優れた容量結合、そして高い電磁シールド性を備えているため、電子機器に広く使用されています。メタルコアPCBの利点を詳しく見ていきましょう。
金属は高い熱伝導率で知られており、MCPCBは発熱の問題を抱えるデバイスに最適です。これらの部品は機器全体への熱伝達を促進し、局所的な発熱の問題を軽減します。金属コアPCBは熱伝導性に優れているため、高電力レベルの回路に最適です。
金属コアPCBまたはFR-1 PCBを搭載した4W LED照明器具の発熱実験を実施しました。金属コアPCBでは過熱の影響がほとんど見られませんでしたが、FR-4 PCBでは37℃まで過熱しました。
LED 技術メーカー、特に高出力 LED 照明メーカーは近年、過熱の問題に注目しています。
高出力電子機器は、効率的な放熱機構がないと誤動作しやすくなります。メタルコアPCBは、メタルコアを介してデバイス全体に熱を均等に分散することでこの問題に対処し、加熱による損傷を最小限に抑えます。
アルミニウムは軽量素材であり、電子機器全体の重量を増やすことなくプリント回路基板に強度を与えるため、高出力 LED 照明に最適な PCB となっています。
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メタルコア PCB は、特に変動する環境条件下で、FR-4 などの従来の材料で作られた PCB よりも比較的高い寸法安定性を誇ります。
たとえば、30°C から 150°C の範囲の加熱プロセスにさらされた金属 PCB 材料は、従来の約 2.5% の寸法膨張と比較して、3.5% から 4% の寸法変化を示しました。
しかし、アルミニウムや銅などの金属コアPCBは、優れた熱安定性により、この熱応力に効果的に抵抗し、さまざまな温度範囲で安定した特性を維持できます。この安定性により、高温下での回路基板の反りのリスクを低減します。
従来のPCBは主にセラミックやグラスファイバーなどの繊細な素材で作られており、強度が弱く壊れやすいのが難点です。一方、メタルコアPCB回路基板は、金属コアを使用しているため、より強固な構造となっています。
金属基板は、基板の製造・組み立て工程における破損や損傷のリスクを軽減し、機器の寿命を延ばします。
この品質により、プリント基板は製造中の機械的圧力に耐えることができます。電子機器の耐久性と強度により、機械的なストレスを受けても破損することはありません。
金属コア PCB 回路基板のバリエーションはより軽量であるため、コスト効率に優れています。
アルミニウムは精製が容易なため、回路基板の基板としてコスト効率の高い選択肢となり、アルミニウムベースの基板の製造コストを削減します。
したがって、アルミニウム回路基板は、かさばって高価なオプションに代わる、予算に優しい選択肢となります。
アルミニウムはリサイクル可能な素材であるため、メタルコアPCBはより環境に優しく、コスト効率に優れています。地球上で最もリサイクルされている素材の一つであり、品質を損なうことなく繰り返しリサイクルできます。
メタルコアPCBは、MCPCB内のメタルコアの位置に基づいて様々なタイプに分類されます。メタルコアPCBの種類には、以下のものがあります。
名前の通り、単層MCPCBは単一の銅導体層から構成されています。その上に金属ベースプレートが接続され、回路基板の剛性を高めます。
熱伝導性回路層は回路基板を絶縁するため、過熱が問題にならない単純な用途に適しています。
コアは通常アルミニウムで作られています。単層回路基板の基本構造は、金属コア（通常はアルミニウム）と誘電体または絶縁層で構成されます。この構造は、オーディオ機器、センサー、包装機器、車載リレーなどに最適です。
両面 PCB は 2 つの層で構成され、これらの銅層の間に金属コアが挟まれ、銅層を接続するメッキスルーホール (PTH) を使用して相互接続されています。
メタルコアPCBメーカーは、回路基板の両面をSMTおよびTHT部品の実装に使用できます。両面MCPCBは、メタルコアの両面にトレース層を持つ複雑な回路設計で使用されます。
2層の銅層を銅コアにラミネートするには、材料と技術の両方が必要です。一部のメタルコアPCBサプライヤーは、金属カバー用のラミネート済みシートを提供しており、プロセスを合理化しています。
名前の通り、多層金属回路基板は2層以上の導電層を内蔵しています。金属ベースは基板の底部に配置されているため、メーカーは基板の片面のみに部品を実装できます。
多層PCBでは、金属コアが他の層の間に配置され、その上下に同数の層が配置されます。例えば、12層の金属PCBでは、金属コアの上下にちょうど6層ずつ配置されます。
熱電分離が必要な場合、チップオンボードMCPCBが使用されます。これにより、省スペースでありながら優れた性能を発揮します。
標準的な金属 PCB では、銅のトレースと金属コアの間に誘電体層があり、誘電体層の絶縁特性により熱伝導性が制限されます。
一方、COB MCPCBは金属コア上にチップを搭載しており、放熱性を高めます。この構造により、チップと回路基板のトレース間の電気的接続が確保されます。
メタル コア PCB は、メタル コアの追加によるいくつかの異なる手順を除いて、従来の PCB と同じ方法で製造されます。
このプロセスは、MCPCBの使用場所に応じて適切な材料を選択することから始まります。特定のPCBの用途に応じて、コア、絶縁層、銅箔に最適な材料が決まります。
材料の選択は通常、必要な熱伝導率、誘電率、および機械的特性のレベルに基づいて行われます。
金属コアメーカーは、金属の配置とルーティングを行う前に、コンピュータ制御のドリルマシンを用いて金属コアに穴を開けます。これにより、一貫性と精度が最大限に高まります。ドリルマシンは適切なドリルを自動的に選択し、ドリルヘッドをマシンに装着します。
ドリルマシンは高速掘削を誇りますが、穴を一つずつ開ける必要があるため、時間のかかる作業です。
金属コアは薄い銅層でコーティングされています。これは電気めっき、つまり金属の電解めっきプロセスによって行われます。
銅層は、フォトレジストと呼ばれる光学活性有機膜で覆われています。紫外線を照射した後、外側の膜のパターンが基板表面に塗布されます。フォトマスクを通してこの構造を紫外線に照射すると、銅配線パターンが形成されます。
フォトレジストが塗布されていない領域はエッチングされて余分な銅が除去され、銅のトレースパターンはそのまま残り、基板上の余分な銅が除去されます。
金属コアの両面に、絶縁層とも呼ばれる高温ポリマー層を積層します。この工程により、銅配線が絶縁層で確実に覆われます。
金属PCBの両面には、ソルダーレジスト層が塗布されています。これは、基板を酸化や環境暴露による損傷から保護する、写真でイメージング可能な保護ラッカー層です。これにより、基板は埃やその他のコンポーネントから保護されます。
金属コア PCB メーカーは、コンポーネントの配置とはんだ付けを容易にするために、はんだマスク層に開口部を残します。
ルーティングは、製造工程の最後に、回路基板の輪郭を形成するために行われます。これは通常、コンピュータ制御のCNC工作機械またはフライス加工工具を用いて、内部の切り欠きやスロットを加工するために使用されます。工作機械は、元のツールファイルにあらかじめ定義されたパスに沿って動作するようにプログラムされています。
粉砕中に発生した粉塵は、粉砕ヘッド付近に配置されたブラシによって集められます。このブラシは、真空のようなシステムで粉塵を吸い込みます。
銅層は、露出した銅層を酸化や環境による損傷から保護することを目的とした金属または有機材料の別の層でコーティングされています。
製造の最終段階では、回路基板の両面にV字型の溝を切るVスコアリングまたはV溝加工が施されます。この加工により、残る材料の量が最小限に抑えられ、メタルコアPCBメーカーはPCBを生産パネルから分離できるようになります。
他の電気部品と同様に、回路基板も品質と適切な機能を確認するためにテストする必要があります。
メタルコアPCBメーカーは、複雑な回路基板に対応するためにフライングプローブテスターを用いて回路基板の電気試験を実施します。また、大量の回路基板を試験するためにユニバーサルグリッドテスターを活用する場合もあります。
この試験は、金属コアPCBの電気安全性が規定の特性および絶縁性能基準を満たしているかどうかを検査します。回路基板の絶縁抵抗と絶縁破壊電圧を測定します。
信頼性テストでは、絶縁体のピンホール、絶縁体の破損や損傷、コンポーネント間の電気的クリアランスの低下など、回路基板の欠陥も検出されることがあります。
金属回路基板の製造では、最適な性能と信頼性を確保するために、いくつかの要素を評価する必要があります。これには以下が含まれます。
コア材料の熱伝導率が高いほど、電子機器の発熱部品から熱をより速く放散します。
その結果、コア材料とその厚さは、機器の電力要件と機器から熱を除去する必要がある速度によって決まります。
メタルコアPCBの性能は、絶縁材の種類、つまりMCPCB製造における誘電率にも左右されます。コアと銅層の間に配置される絶縁材には、誘電率があります。
誘電率は金属基板の導電率に影響します。誘電率が高いほど、静電容量と信号伝送が向上します。一方、誘電率が低いと、金属基板の静電容量と信号伝送が低下します。
特定のアプリケーションに必要な信号伝送に応じて、金属コア PCB メーカーは誘電率に応じて絶縁材料を選択します。
特定のアプリケーションの電流容量と電圧要件によって基板のサイズも決まり、2つのトレース間の間隔も決まります。したがって、基板の間隔と幅は効率に影響を与える可能性があります。
ソルダーマスクとシルクスクリーンは、基板の銅層を保護します。また、色分けとラベル表示によって基板と部品の識別にも役立ちます。マスクとシルクスクリーンの色は、アプリケーションのニーズに応じて異なります。
MCPCBは衝撃、振動、そして大きな温度変化にさらされます。そのため、基板は機械的ストレスに耐えられるだけの安定性を備えていなければなりません。基板の安定性は、使用される材料の種類、コアの厚さ、そして接続方法に依存します。
これらの要素を考慮すると、回路基板が最適なパフォーマンスを発揮し、アプリケーションの特定の要件を満たすことを保証する経験豊富な MCPCB メーカーと協力することが重要です。
金属回路基板の用途を理解するには、FR-4 回路基板と金属 PCB の違いを考慮することが重要です。
様々な電子機器は動作するために膨大なエネルギーを必要とします。また、大量の熱を発生し、それが集中して過熱を引き起こすこともあります。このような状況では、FR-4基板に代わる優れた代替品として、メタルコアPCB基板が挙げられます。
金属コアPCBの利点は、高出力機器における急速冷却と効率的な熱分散です。銅やアルミニウム製の回路基板は、熱伝導率と引張強度に優れ、絶縁破壊電圧も優れているため、急速加熱機器に最適です。
金属 PCB の主な用途と使用法は以下のとおりです。
● LED照明
● ソリッドステートリレー
● 電力供給業者
● 電圧レギュレータ
● ソーラーパネル
● 太陽電池
●ハイブリッド電気自動車のモーター制御。
金属コア PCB は、LED 照明、自動車用電子機器、パワーエレクトロニクスなど、過熱により機器が損傷する可能性のある、効率的な放熱を必要とするアプリケーションで広く採用されています。
従来の FR4 のような非導電性基板を備えた回路基板とは異なり、金属コアはヒートシンクとして機能し、周囲に熱を分散します。
全体として、メタル コア PCB は、優れた熱管理機能と機械性能により、さまざまな電子アプリケーションに信頼性が高く効率的なソリューションを提供します。
PCBで使用される最も一般的な金属コアはアルミニウムコアです。これは、他の金属に比べて比較的安価であるためです。また、アルミニウムコアは他の金属よりも放熱性に優れています。ただし、デバイスの複雑さに応じて、銅や鋼などの他の金属も使用される場合があります。
はい、メタルコアPCBは、熱伝導率、耐久性、周波数特性において、通常のFR4 PCBよりも優れています。しかし、多くのメーカーは、メタルPCBよりもFR4を好んでいます。FRXNUMXは価格が安く、コスト削減につながるからです。
メタルコアPCBが広く使用されている主な理由の一つは、デバイスの過熱を防ぐことができるためです。メタルコアは熱を吸収し、効率的に放散するため、機器の過熱を防ぎます。さらに、これらの回路基板は熱伝導性を高めるため、デバイスの寿命を延ばします。
はい、金属コアPCBでもSMTプロセスを使用できます。ただし、SMTプロセスでは、金属とコア材料の熱膨張係数が異なります。
メタルPCBは、材料と製造プロセスが異なるため、標準的な基板よりも高価になります。しかし、パフォーマンスと信頼性が向上するため、メタルコアPCBは価値のある投資です。
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