厚銅PCB製造 - PCBasic

現代の電子機器は、電力、信頼性、そして熱に関する課題の増大に直面しており、そのため、厚銅PCBが主要な技術ソリューションとして台頭しています。従来のプリント回路基板では、通常1オンス/平方フィート程度の銅層が使用されていますが、厚銅PCBでは、はるかに厚い銅のトレースとプレーンが採用されています。

業界の専門家は、厚銅基板とは、内層または外層に3オンス/平方フィート（105μm）以上の銅が含まれる基板と定義しています。一部の情報源によると、銅厚が2オンス/平方フィート（70μm）の基板も含まれる場合があります。これらの特殊な基板は通常、3オンス/平方フィートから20オンス/平方フィートの銅で構成されており、極端な例では200オンス/平方フィートに達することもあります。

厚銅PCBは、通常の基板に比べて明らかに優れた点があります。銅の重量増加により、電力消費量の多いデバイスに低抵抗の電流経路が提供され、効率が向上し、焼損リスクが低減します。一例として、3オンス（約10g）の銅厚PCBは20～10アンペアの電流を10年間安定して供給できるのに対し、50オンス（約XNUMXg）のPCBはXNUMXアンペア以上の電流を供給できます。

これらの基板は優れた熱管理性能を備えており、過酷な環境下でもコンポーネントを最適な温度で動作させることができます。堅牢な銅配線によりスルーホールとコネクタの強度が向上し、熱サイクル、振動、機械的ストレスに対する耐性が向上しています。

厚銅プリント基板の製造には、特殊なエッチングおよびめっき工程が必要です。最新の製造工程では、めっき工程とエッチング工程を組み合わせることで、従来の工程では配線の側壁が粗くなってしまうのに対し、アンダーカットが最小限に抑えられた直線的な側壁を実現しています。メーカーは、同一層に異なる銅の厚みを堆積できるため、高電流回路と標準制御回路を同一基板上に搭載することが可能になりました。

この技術は、熱伝導性の向上、高電圧耐性、過酷な環境でのパフォーマンスの向上などにより、電子製品に対する消費者の高まる需要に対応します。

何が 重い銅のPCB （または 厚い銅のPCB)?

標準PCBは、一般的な電子機器に適した1オンスから3オンスの厚さの銅層を備えています。厚銅PCB（または厚銅PCB）は、いずれかの層またはすべての層に3オンス以上の銅層を備えています。業界の専門家の中には、2オンス（70μm）を超える銅層を持つ基板を厚銅PCBと呼ぶ人もいます。

これらの特定用途向けPCBは通常、4オンスから10オンスの銅箔を使用しています。超厚銅版は、非常に大きな電流負荷にも対応でき、20平方フィートあたり200オンスからXNUMXオンスまでの厚さになります。銅箔の厚さが厚くなると、基板の電気的特性と熱的特性が変化します。

厚銅基板は、高出力電流と極めて高度な熱管理が同時に求められる高出力アプリケーションに最適です。通常の基板ではこのような過酷な条件に耐えられませんが、厚銅基板は電流の流れを管理するのに最適です。

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内部構造 重い銅 ボード

厚銅PCBは、通常の基板製造工程に加え、特殊な工程を経て製造されます。エッチングと電気めっきというシンプルな工程は変わりませんが、これらの基板では特殊なエッチング技術とめっき技術のみが必要となります。これにより、トレースの側壁やアンダーカットを精密な仕様通りに仕上げることができます。

メーカーは、これらの特殊なボードを製造するためにいくつかの技術を使用しています。

● ブルーバープロセス

厚い銅バーが回路基板に直接挿入されます。これにより、総重量が最小限に抑えられ、樹脂が銅回路領域に浸透することで平面度が向上します。

● ラミネート堆積

この技術は、厚い銅ベースを使用することで信頼性と安定性を確保しています。また、微細な配線のエッジ制御も容易です。

● 埋蔵銅

プリプレグには厚い銅があらかじめ組み込まれています。銅の厚さは樹脂の厚さとレーザーカットによって決まります。

厚みの不均一性は、依然として製造における最大の技術的ハードルとなっています。基板内の銅箔分布をバランス良くするには、パッドの位置と層の位置合わせを製造業者が適切に行う必要があります。

Why 重い銅のPCBが使用されていますか?

自動車、パワーエレクトロニクス、産業機器には、過酷な条件に耐えられる基板が必要です。厚銅プリント基板は、こうした厳しい要件に耐えられるよう設計されており、通常の基板ではすぐに故障してしまうような状況でもソリューションを提供します。

通常の PCB との比較 重い銅のPCB

標準銅プリント基板（PCB）と厚銅プリント基板（PCB）の主な違いは、銅の重量です。一般的な市販PCBでは、銅の重量は0.5～3オンス/平方フィート（約4～60オンス/平方フィート）で、信号伝送には十分ですが、消費電力の大きい設計には不十分です。厚銅PCBでは、銅の重量がXNUMX～XNUMXオンス/平方フィート（約XNUMX～XNUMXオンス/平方フィート）で、消費電力の大きい設計にもはるかに強力なプラットフォームを提供します。

機能	通常のプリント基板	重い銅のPCB
銅の厚さ	0.5オンス/平方フィート～2オンス/平方フィート	3オンス/平方フィートから20オンス/平方フィート以上
電流容量	通常（制限されたアンペア）	はるかに高い（高電流に最適）
機械的強度	スタンダード	非常に強くて頑丈
熱放散	穏健派	優秀（より多くの熱に耐える）
製造難易度	より簡単に、より安く	より困難で、より高価
一般的なアプリケーション	家電製品、コンピューター	電源、自動車、軍事、産業システム
費用	低くなる	より高い

のメリット 重い銅のPCBs

銅の重量増加により、不安定な回路基板は強固で安定した配線プラットフォームへと変化します。銅の重量増加により、電力消費量の多いデバイスにおいて電流抵抗の低い経路が確保され、効率が向上し、焼損のリスクが低減します。

● 大電流容量

3オンス厚の銅箔を使用した試作用PCBは、10～20アンペアの電流を10年以上安定して供給できます。50オンス厚の基板は、XNUMXアンペア以上の電流も容易に供給できます。この大幅な通電能力の向上により、これらの試作用PCBは高電力密度アプリケーションに最適です。

● 優れた放熱

追加された銅の重量はヒートシンクとして機能し、電力消費量の多いコンポーネントから発生する熱を効率的に放散します。これにより、熱管理が改善され、ホットスポットの発生を防ぎ、システムの信頼性が向上します。

● コネクタ部位の機械的強度を強化

TCT（熱サイクル試験）では、0.57ミル以上の銅めっきを施した基板において、2.5サイクル後の故障率はわずかXNUMX%です。この高い機械的強度により、これらのPCBは、通常の基板では故障してしまうコネクタ部やめっきスルーホールに最適です。

● 過酷な環境でも高い信頼性

これらのPCBは、熱サイクルによる機械的ストレスに対して高い耐性を備えています。この優れた耐久性こそが、航空宇宙、防衛、産業用制御アプリケーションにおいて、特に故障が許容されない用途で広く使用されている理由です。

設計上の考慮事項 重い銅のPCBs

厚銅PCBの設計は、標準的なPCB設計手順とは技術的パラメータが大きく異なるため、細心の注意を払って行う必要があります。特に3オンス/平方フィートを超える銅を扱う場合は、製造性能、信頼性、製造性など、多くの重要な要素を考慮する必要があります。

銅の厚さとトレース幅 

厚銅基板設計において、銅基板の厚さと配線幅は極めて重要な関係にあります。銅の厚さが増すにつれて、最小配線幅も広くする必要があります。標準的な設計ルールはもはや通用しません。3オンスまたは0.5オンスの銅板の厚さに適した1ミルの配線幅は、より重い銅板には適していません。3～20オンスの銅板を適切に製造するには、はるかに広い配線幅が必要です。より厚い銅板をエッチングする際には、より強力な化学薬品への曝露が必要となるため、設計者はアンダーカットの可能性を考慮する必要があります。

適切な銅の厚さの選び方

適切な銅箔厚PCBを選ぶ最適な方法は、アプリケーションの電流要件を把握することから始まります。トレース幅計算ツールは、トレース幅、電流容量、温度上昇という100つのパラメータを求めるのに最適なツールです。これらのツールは、XNUMXつのパラメータを入力するだけでXNUMXつ目のパラメータを計算できるため、最適な銅箔厚PCBを選択できます。XNUMXAを超える電流が要求されるアプリケーションでは、標準的なトレースは適しておらず、銅バスバーを使用する必要があります。

通電容量

電流容量は、PCBの銅箔重量およびトレースサイズと数学的な相関関係にあります。IPC-2221では、I = KΔT^0.44 × A^0.75という式が示されています。ここで、Kは内部導体の場合0.024、外部導体の場合0.048です。内部層は、露出したトレースの電流容量の半分しかサポートできません。ほとんどのアプリケーションでは、温度上昇は10～20℃の範囲に抑える必要があります。I²R損失による熱は、コンポーネントの故障を防ぐために十分に放散される必要があります。

基板および断熱材の選択

PCBの銅重量は、基板選定をより重要にします。1.6オンスの銅を使用する場合、基板の厚さは20mm以上が必要です。銅コアの多いPCBには、同等の熱膨張係数を持つ高Tg材料が必要です。FR-4でも問題ありませんが、金属コアPCB（MCPCB）の方が熱特性に優れています。一部の過酷な用途では、より優れた熱伝導率を持つ特殊なラミネートが必要になる場合があります。

熱管理と熱膨張係数（CTE）

CTE（熱膨張係数） 温度によってPCBがどれだけ膨張するかを測定します。 PPM /°C.

標準FR-4ラミネート CTEは 14～17 ppm/°C.

シリコンチップパッケージ 約CTEが低い 6 ppm /°C.

CTE不一致 PCBとチップ間の 応力集中 温度変化時。

厚銅 PCB 必要 最小限のCTE不一致 厚い銅は大きな熱力を発生させるからです。

重い銅のPCB製造プロセス

厚銅PCBの製造には、標準的なPCB製造とは大きく異なる特殊なプロセスが必要です。通常のPCBでは、シンプルなエッチングとめっき工程で済みますが、厚銅基板では、極めて厚い銅板の要件を満たすために高度な技術が必要となります。

1. 伝統的な製造方法

従来の方法では、厚い銅張積層板材料をエッチングすることで、厚い銅配線を形成していました。その結果、配線の側壁が不均一になり、アンダーカットが過度に発生していました。現代のめっき技術では、めっきとエッチングを組み合わせることで、アンダーカットを最小限に抑えた直線的な側壁を実現しています。

2. 銅の厚さと層処理

メーカーは通常、銅箔厚が10オンス未満のPCBでは銅張積層板をエッチングで形成します。銅張積層板の内層を直接エッチングし、外層は所定の厚さにするために追加の電気めっきを施します。3オンス厚銅PCBでは、内層に3オンスの銅張積層板を使用し、外層には2オンスの銅箔を使用します。残りの銅は電気めっきで追加されます。

3. 超小型製造厚い銅のPCB

10オンス以上の銅厚を持つPCBは、銅張積層板ではなく赤銅箔から製造されます。この箔とプリプレグを組み合わせることで、極厚銅PCBが完成します。

4. はんだマスクの課題

厚銅箔の製造においては、ソルダーマスクの塗布に特有の課題が生じます。従来のシルクスクリーン印刷では、ソルダーマスクの厚さが不均一になることが多く、回路の角やビア周辺にインクが溜まってしまいます。一部のメーカーでは、静電噴霧技術を用いて基板全体に均一にソルダーマスクを塗布しています。

厚銅と標準機能を単一基板上に混在させることで、製造上の大きなメリットが得られます。この組み合わせにより、層数が削減され、低インピーダンスの電力分配が実現し、フットプリントが縮小されるため、コスト削減の可能性も高まります。かつては大電流回路とその制御回路は別々の基板を必要としていましたが、今ではこれらをスムーズに組み合わせることで、高密度でありながらシンプルな基板構造を実現しています。

厳格なプロセス制御と完全なテストにより、これらの特殊なボードは高出力アプリケーションの要件を満たすことが保証されます。

アプリケーション 重い銅のPCBs

厚銅PCBは、通常の回路基板では電気的、熱的、または機械的な要件を満たせない業界にとって不可欠です。これらの特殊な基板は、多くのミッションクリティカルなシステムの基盤となっています。

1. 自動車産業

自動車業界では、厚銅PCBが電気自動車の充電システムやモーターコントローラーに優れた性能を発揮すると見られています。これらの基板は、バッテリー管理システムに充放電サイクル中に最大100アンペアの電流を流す能力を与えます。150℃を超える高温にも耐えられるため、車載環境に最適です。

2. 配電システム

電力配電システムは現在、これらのPCBに大きく依存しています。企業は、電力調整器、グリッドスイッチングシステム、高出力整流器、過負荷リレーなどの励磁システムにPCBを使用しています。最新のPCB厚銅板は、従来のケーブル配線や板金配線に取って代わり、プロセスの合理化と製品の信頼性向上に貢献しています。

3. 軍事および航空宇宙用途

軍事・航空宇宙分野では、兵器制御システム、レーダー装置、監視システムにこれらの特殊PCBが使用されています。航空電子機器や通信システムに使用される電子機器は、過酷な環境下でも優れた機械的性能を発揮するため、長寿命を実現しています。

4. 再生可能エネルギーシステム

再生可能エネルギーシステムは、これまで以上に厚手の銅基板を必要としています。太陽光発電インバータ、風力タービンコントローラー、水力発電所の制御盤では、高負荷の電力を管理するためにこれらの基板が使用されています。例えば、5kWの電力を処理する太陽光発電インバータでは、30アンペア用に設計された配線が使用される場合があります。

5. 医療機器

画像診断装置や患者モニタリングシステムなどの医療機器は、厚銅フレックスPCBの信頼性によってより優れた性能を発揮します。産業オートメーションシステムでは、高電流・高電圧が一般的に使用される安全システム、溶接装置、サージプロテクターなどに厚銅フレックスPCBが使用されています。

6. 製造技術の進歩

製造技術の進歩により、これらの専用ボードは従来の伝送方式に取って代わりました。この変化により、製品は小型化され、信頼性も向上しました。

PCBasicの 重い銅のPCB 製造能力

PCBasicは、厚銅PCBメーカーのリーディングカンパニーです。また、PCBasicは中国のトップクラスの厚銅PCBサプライヤーでもあります。PCBasicは、厚銅製品を、PCBの内層または外層の銅厚が3オンス（105μm）以上の基板と定義しています。同社の超厚銅PCBは、300μmを超える基板で、並外れた電力需要にも対応します。

同社の高度な製造技術は、標準的な回路基板製造をはるかに超えています。厚銅板製造における最大の課題は、銅板厚の増加に伴うドリルビットの大幅な損失です。PCBasicは、この課題に対処するために、専用のUC厚銅ドリルビットを使用しています。同社の設備と最適化された掘削パラメータにより、非常に厚い銅板であっても、平坦で滑らかな穴壁を実現しています。

厚銅PCBの製造において、エッチング工程は重要な役割を果たします。PCBasicはこれを回路製造における中核技術と呼んでいます。銅の厚みが増すほど、回路品質の維持が難しくなります。

PCBasicは、厚銅箔向けスクリーン印刷技術に熟達しています。ソルダーマスクと基材間の強力な結合力に着目し、ソルダーマスク真空ポンプを搭載しています。これにより、厚銅箔で発生しやすいソルダーマスクの気泡による品質問題を解消します。

PCBasicの厚銅PCBはすべて高TG材を使用しているため、特殊なチタンメッキゴングナイフを採用しています。この投資により、製造工程全体を通して基板のエッジが滑らかに仕上がります。

研究開発部門は、「厚銅PCBの設計・運用ガイドライン」および「厚銅PCBのプロセス故障モード制御」を含む包括的なドキュメントを作成しています。これらのシステムは、製品設計、プロセスパラメータ、そして完成品のテストを制御でき、顧客の要件を満たします。

この包括的なシステムにより、PCBasicは、要求の厳しいアプリケーションにおいて信頼性の高いサービスを提供する、最高クラスの厚銅PCBメーカーの一つとなっています。同社の製品は、医療機器、産業オートメーション機器、自動車システム、高速鉄道、船舶、軍事製品、LED照明システムなど、様々な分野で高い評価を得ています。

結論

銅箔厚が3オンス/平方フィート以上の高銅箔PCBは、現代の高出力電子機器にとって不可欠です。このような基板は、熱安定性を損なうことなく50アンペア以上の電流を流すことができるため、電力消費量の多いアプリケーションに不可欠です。

厚手の銅箔は、熱伝導性に優れ、信頼性を高め、過酷な条件下でも部品の故障を防ぎます。この技術は従来の電力伝送方法に取って代わり、より小型で効率的な製品を実現します。

厚銅PCBの設計には、電流計算、基板の選択、熱膨張率の慎重な検討が必要です。エッチングやめっきといった特定の製造工程も、その製造において重要な要素となります。

厚銅PCB市場は、自動車、軍事、再生可能エネルギー、医療などの分野で成長を遂げています。電子システムの進化に伴い、この技術の進歩は、将来のアプリケーションにおける電力密度と信頼性の向上につながるでしょう。