ヘビーカッパー・プリント配線板2oz から 10oz 以上までの (PCB) は、電力密度および熱的信頼性の向上が求められる今日のエレクトロニクス分野において不可欠な存在となっています。これらは、多くの電気自動車、再生可能エネルギー（RE）、およびパワーエレクトロニクス（PE）システムに適用されています。これらの高強度基板は、高電流負荷に耐えることができ、荷重がかかる用途において優れた機械的特性を発揮し、さらに抵抗損失の低減により、複雑なバスバーを置き換えることさえ可能です。
しかしながら、重銅が電力分配に非常に望ましいものとする材料特性は、その一方で、下流工程において重大な技術的課題を引き起こす。表面実装技術（SMT）とスルーホール技術（THT）組立工程。標準の1オンス銅から2オンス以上のヘビーカッパーへ変更するには、高価な欠陥を招くことなく、化学的・機械的・熱的パラメータに根本的な変更を加える必要があります。
熱管理とリフロープロファイル
大規模ヒートシンク効果
熱特性は、実装における主な課題です。銅の厚さは、基板の熱容量を大幅に増加させるうえで最も重要な要因です。厚い銅配線や内部プレーンは強力なヒートシンクとして機能し、リフローはんだ付け工程中に、はんだパッドから熱を急速に奪います。主流である無鉛はんだ SAC305 の液相線温度 217°C を達成するために必要なパッドの加熱量と時間は、従来のリフロー炉の設定では実現できません。
深刻なコールドはんだ接合
はんだの溶融不足は常にコールドジョイント、ぬれ不良、内部マイクロボイドおよびヘッドインピロー欠陥を引き起こします。これらの不具合は電流容量と構造的強度を低下させ、高電流動作時の装置故障という、目に見えない危険要因となります。
プロフィール最適化戦略
エンジニアは、この問題に対処するためにカスタマイズされたリフローの熱プロファイルを作成する必要があります。厚い銅部品には、均一な熱バランスを与えるためにより長いソーク時間が用いられ、熱に敏感な電子部品を損傷しないよう、適度な昇温速度が採用されます。特に厚みのある銅基板の場合、基板全体を均一に加熱するために、補助的な局所赤外線予熱やベーパーフェーズはんだ付けシステムが使用されることがあります。
ソルダーマスクのトポグラフィおよび不完全な被覆
ヘビーカッパー基板は表面に凹凸のある地形を生み出しますが、標準的なプリント基板はソルダーマスクを容易に適用できる滑らかな表面を形成します。誘電体基板上の銅配線は非常に突出しており、3oz または 5oz の急峻な垂直側壁を有しています。
従来の液状フォトイメージャブルソルダーレジスト印刷では、垂直エッジに均一に付着させることが困難です。コーティングインクは鋭いパターンコーナー部を流れ落ち、銅面が露出したり、きわめて薄いコーティングになったりします。スクリーン印刷では、太いパターンの側面に気泡が残り、ボイドを隠してしまうこともあります。続く露光および現像工程では、紫外線の露光不足によってレジストのアンダーカットが生じ、高温リフロー時にクラック、剥離、層間剥離を引き起こします。メーカーは、レーザーダイレクトイメージングと最適化された印刷インクによる多層印刷を用いて、安定かつ完全な絶縁被覆を実現し、電気アークのリスクを回避しています。
コンポーネントの位置ずれとトゥームストーニング
これは、配線設計および部品配置によって生じた銅箔レイアウトの不均衡が、基板の深刻な反りを引き起こすためです。厚い銅構造の膨張および収縮は、FR-4 やポリイミド系のベース材料に比べてはるかに大きくなります。プレスおよびリフロー工程においては、熱膨張係数の不一致により内部応力が高くなり、それが基板の平坦性に影響します。その結果、自動実装機による部品の実装安定性が確保できず、部品の位置ずれや回路の断線が発生します。
サーマルアンバランスは、トゥームストーニング不良のもう一つの原因です。ある部品パッドが厚い銅の電源プレーンに接続され、もう一方のパッドが細い電源ラインに接続されている場合、細いライン側は自由に加熱されてはんだがはるかに速く溶ける一方で、厚い銅側は加熱が遅くなります。はんだの表面張力が均一でなくなり、部品が傾いたり持ち上がったりします。このような実装不良は、合理的なダミー銅のレイアウトと標準的なサーマルリリーフ設計によって効果的に低減できます。
ステンシル設計とはんだペースト印刷
はんだペーストの表面は均一ではなく、大きさの異なる成分が混在しているため、安定したはんだペースト印刷を実現することが困難です。 しかし、ステンシル表面に凹凸がある場合、一般的なフラットステンシルでは密着させることができず、その状態でペースト印刷を行うと、はんだブリッジや短絡不良が発生してしまいます。
異なる表面高さに対応し、ペースト印刷位置の高精度化と同一量のコーティングを実現するために、特殊な段付きおよび3D加工ステンシルが使用されています。無電解ニッケル浸漬金および浸漬銀による表面仕上げ処理は、ヘビーカッパー基板上の大型パッドのはんだ付け品質も向上させます。
自動化SMTおよびビア信頼性の課題
ヘビーカッパー基板が重く厚くなるほど、自動組立装置の操作はより困難になり、コンベアの振動、真空吸着効率の低下、および基板の局所的な変形によって生じる位置決め認識の不正確さを招きます。
その一方で、厚い銅層は、めっきスルーホールおよびビアに極端な熱的・機械的負荷を与えます。銅めっきチューブの壁と周囲の樹脂との膨張速度の違いにより、繰り返される温度変化の後に収縮や層間剥離が起こり、その結果としてホール壁のクラックや樹脂の損傷が発生します。構造的な耐久性を維持するために、高Tg・低膨張のベース材料、アスペクト比の低いビア設計、および充填されたサーマルビアアレイが用いられます。
スルーホールはんだフィレット形成
高電力電子製品では、振動や大電流への対策として、スルーホールコネクタやバスバーが依然として広く使用されています。熱放散が不均一であるため、規格で定められたスルーホールのはんだ垂直充填要件を満たすことは困難です。ヘビーカッパーの内層は、フローはんだ付けや選択はんだ付けの際に熱を急速に伝導し、溶融はんだがスルーホールの途中で凝固してしまいます。充填不良の接合部では、良好なはんだフィレットは形成されません。加熱時間の延長、はんだ温度の上昇、および予熱の強化は充填効果の向上に役立ちますが、その一方で、基板の層間剥離や部品の過熱損傷のリスク増大というトレードオフがあります。
PCBCartによる組立品質の追求
2oz 以上のヘビーカッパー PCB の製造および組立には、材料に関する知識、最先端のサーマルプロファイリング装置、そして卓越した検査能力を備えた組立パートナーが必要です。
PCBCart は、エンジニアリング能力と最新設備を備え、ヘビーカッパープロジェクトに対応できる、業界をリードするフルターンキー PCB アセンブリおよび製造サービス企業です。製造容易化（DFM）解析による最適なサーマルリリーフや銅バランスの事前検討であれ、ステンシルの調整高精度SMT実装、自動光学検査、X線解析による検証などを通じて、PCBCartは最大限の生産歩留まりと、現場で実証された高い信頼性を保証します。PCBCartと提携し、高電力エレクトロニクスをコンセプト設計段階から完璧な量産体制へとシームレスに移行させましょう。
役立つリソース
•PCB製造プロセス ステップバイステップガイド
•プリント基板組立工程
・クイックPCB実装見積もりおよび製造のためのPCB設計ファイル要件
・PCBメーカーまたはPCB実装業者を評価する方法
•波はんだ付けとリフローはんだ付けの比較
