PCB (プリント基板) が耐えられる最高温度は、その性能、信頼性、寿命に大きな影響を与える重要な要素です。 PCB サプライヤーとして、お客様に高品質の製品を提供するには、これらの温度制限を理解することが不可欠です。
1. PCB の最高温度に影響を与える要因
材料構成
PCB に使用される材料は、その温度耐性を決定する上で基本的な役割を果たします。最も一般的な基板材料は FR-4、ガラス繊維強化エポキシ積層板です。 FR-4 のガラス転移温度 (Tg) は通常、約 130 ～ 180°C です。ガラス転移温度は、材料が硬い状態からゴム状の状態に変化する温度です。温度が Tg を超えると、PCB の機械的および電気的特性が急速に劣化する可能性があります。たとえば、基板が反る可能性があり、これによってはんだ接合部に亀裂が入ったり、配線が破損したりして、回路障害が発生する可能性があります。
一部の高性能 PCB では、Tg がはるかに高く、多くの場合 200°C を超えるポリイミドなどの材料が使用されています。ポリイミドは優れた熱安定性で知られており、電子機器などの高温環境での用途に適しています。
銅箔とトレース
PCB 上の銅箔は、導電性トレースを形成するために使用されます。これらのトレースの厚さと幅は、放散できる熱の量に影響します。銅箔が厚いほど抵抗が低くなり、電流が流れたときに発生する熱が少なくなります。たとえば、2 オンスの銅箔は、1 オンスの銅箔と比較して、より多くの電流を流し、より多くの熱を放散できます。
トレースのレイアウトも重要です。トレースが近すぎると、1 つのトレースによって生成された熱が隣接するトレースに影響を及ぼし、局所的な温度上昇につながる可能性があります。さらに、ビア (PCB の異なる層を接続する小さな穴) の存在は、熱伝達に影響を与える可能性があります。適切に設計されたビアは熱導管として機能し、PCB の内層から外層へ熱を伝達して放散するのに役立ちます。
はんだ接合部
はんだ接合は、コンポーネントを PCB に接続するために重要です。はんだの種類が異なれば、融点も異なります。たとえば、従来の錫鉛はんだの融点は約 183 ～ 190°C ですが、SAC305 (錫 96.5%、銀 3%、銅 0.5%) のような鉛フリーはんだの融点はより高く、通常は約 217 ～ 221°C です。
はんだの融点を超えると、接合部が破損し、開回路や断続的な接続が発生する可能性があります。温度が融点未満で融点に近い温度である場合でも、はんだ接合部に熱疲労が発生する可能性があり、その結果接続が徐々に弱くなり、最終的には故障につながる可能性があります。
2. さまざまな用途における温度制限
家電
スマートフォン、タブレット、ラップトップなどの家電製品では、PCB は比較的穏やかな温度範囲内で動作するように設計されています。これらのデバイスの通常の最大動作温度は約 60 ～ 80°C です。これは、これらの製品は屋内環境で使用されることが多く、過度の熱がユーザーにとって不快になる可能性がある表面に保持または配置されるように設計されているためです。
たとえば、スマートフォンの PCB は、長時間のゲームやビデオ ストリーミングの使用中に安定したパフォーマンスを維持する必要があります。温度が推奨制限を超えると、デバイスは発熱を減らすためにパフォーマンスを抑制する可能性があり、ユーザー エクスペリエンスの低下につながる可能性があります。
産業用途
産業用アプリケーションでは、多くの場合、PCB がより困難な環境で動作する必要があります。製造工場や発電施設で使用される産業用コントローラーなどは、最大 100 ～ 120°C の温度に耐える必要がある場合があります。これらの PCB は、より堅牢な材料とより優れた放熱メカニズムを使用して設計されています。
私たちのカスタマイズされた設計の産業用コントローラーボード産業用途の高温要件を満たすように特別に設計されています。高品質の素材と高度な製造技術を使用し、過酷な環境でも信頼性の高いパフォーマンスを保証します。
カーエレクトロニクス
自動車の PCB は、冬の極寒の温度からボンネット内の高温に至るまで、幅広い温度条件にさらされます。自動車のエンジンルーム内の PCB が耐えられる最高温度は、通常約 125 ～ 150°C です。これらの PCB は、故障が安全性に重大な影響を与える可能性があるため、高い信頼性が必要です。
自動車メーカーは多くの場合、PCB が耐用期間中に遭遇する温度変化に耐えられることを確認するために、厳格な熱サイクル試験を受けることを PCB に要求します。
そして
そしてアプリケーションは、PCB に最高レベルのパフォーマンスと信頼性を要求します。これらの PCB は、-55°C から 200°C 以上の範囲の温度で動作する必要がある場合があります。これらの厳しい要件を満たすために、特殊な材料と製造プロセスが使用されます。
たとえば、航空機では、アビオニクス システムの PCB が高 G 力と極端な温度条件下で適切に機能する必要があります。これらのシステムで障害が発生すると致命的な結果を招く可能性があるため、PCB は冗長回路と高温耐性材料を使用して設計されています。
3. PCB 温度の測定と監視
熱画像処理
熱画像カメラは、PCB 上の温度分布を測定するために一般的に使用されます。これらのカメラは、PCB から放出される赤外線を検出し、それを温度マップに変換できます。熱画像を分析することで、エンジニアは PCB 上のホットスポットを特定できます。これは、高電流密度または不十分な熱放散の領域を示している可能性があります。
温度センサー
熱電対やサーミスターなどの温度センサーを PCB に配置して、特定の場所の温度を直接測定できます。これらのセンサーはリアルタイムの温度データを提供し、これを使用して PCB のパフォーマンスを監視し、温度が特定のしきい値を超えた場合にアラートをトリガーできます。
4. PCB の温度耐性を向上させる戦略
ヒートシンク
ヒートシンクは、PCB 上のコンポーネントに取り付けて熱放散のための表面積を増やすことができる受動的な冷却デバイスです。これらは通常、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い材料で作られています。コンポーネントからヒートシンクに熱を伝達することにより、コンポーネントの温度を下げることができます。
ファンと冷却システム
一部のアプリケーションでは、ファンなどのアクティブ冷却システムを使用して熱放散を強化できます。ファンは PCB に空気を吹き付け、熱を奪います。たとえば、高性能コンピュータでは、CPU と周囲の PCB を冷却するためにファンがよく使用されます。
サーマルビアとパッド
前述したように、サーマル ビアを使用して、PCB の内層から外層に熱を伝達できます。さらに、サーマルパッドを使用して、コンポーネントと PCB 間の熱伝達を向上させることができます。これらのパッドは熱伝導率の高い材料でできており、コンポーネントと PCB の間の隙間を埋めることができ、熱抵抗を低減します。
5. PCBサプライヤーとしての当社のサービス
PCB サプライヤーとして、当社はさまざまな用途における温度耐性の重要性を理解しています。当社は、さまざまな温度要件を満たすように設計された幅広い PCB を提供しています。
私たちのESS用PCBアセンブリは、温度制御が重要な環境で動作することが多いエネルギー貯蔵システムに適しています。当社は高品質の材料と高度な製造プロセスを使用して、PCB がこれらのアプリケーションの温度変化に耐えられることを保証します。
また、スマートヘアドライヤーボード、民生用ヘアドライヤーに必要な温度範囲内で動作するように設計されています。これらのボードは、信頼性の高いパフォーマンスと安全性を確保するために慎重に設計されています。
特定のアプリケーション用の PCB が必要な場合は、詳細な打ち合わせのために当社までご連絡ください。当社の専門家チームは、お客様の温度要件を満たし、製品の長期信頼性を確保するための適切な PCB 材料、設計、製造プロセスの選択をお手伝いします。
参考文献
- 『プリント基板設計ハンドブック』クライド・クームズ・ジュニア著
- 「電子システムの熱管理」、Avram Bar - Cohen および Jeffrey S. Kraus 著。
- IPC (Association Connecting Electronics Industries) などの組織による業界標準とガイドライン。