高電流銅箔PCB設計ガイドライン：配線、間隔、リフロー

ヘビー銅は、2つの点で設計ルールに影響を与えます。 製造面では、銅が1オンス増えるごとに、許容される最小パターン幅およびパターン間隔が広がります。たとえば PCBCart では、外層が 4 oz の場合、最小で 9/9 mil（0.23/0.23 mm）が必要であり、外層が 15 oz の場合には 32/40 mil（0.81/1.02 mm）が必要です。 実装面では、余分な銅がヒートシンクとして働くため、太いプレーンに接続されたパッドは最後にリフローされ、基板全体のはんだ付けプロファイルを左右します。

このガイドでは、公開されている制限を使用して両方について説明しますヘビーカッパー対応ページここに記載されている銅重量はすべて仕上げ後の銅であり、それに対する制限値を示しています。数値が公開されていない場合は、その旨を明記し、推測するのではなく当社のエンジニアリングチームへお問い合わせいただくようご案内しています。

ヘビーカッパーはいつ採用する価値があるのか？

電流や発熱が制限要因となり、1オンスや2オンス基板でパターン幅を広げても、もはや実装スペースに収まらなくなったときに、厚銅は価値があります。もし実際の制約が配線密度であれば、銅箔を厚くすることはたいてい状況を悪化させます。

現在の許容電流容量は導体の断面積、つまり幅と厚さの積に比例して増加しますが、温度上昇との関係は線形ではありません。私たちの記事「電流容量IPC-2221 の計算式と、なぜ面積を 2 倍にしても許容電流が 2 倍にならないのかを解説します。実際には、必要な断面積に到達する方法はしばしば 2 通りあります。すなわち、標準銅箔で配線幅を広くするか、銅箔を厚くしてフットプリントを小さく保つか、のどちらかです。

最初に有用な質問として、「高い電流は一部のネットに限定されているのか、それとも電源セクション全体を流れているのか？」があります。

いくつかのネットに対しては、より幅広い配線を用いたり、同じネットを2つの層に重複させたり、あるいは機械的なバスバーを使ったりする方が、しばしば安上がりな方法となります。基板の一部分全体が電流を運ぶ場合や、電源デバイスから平面層へ熱を拡散させる必要がある場合、またコネクタ部により強固な銅箔が必要な場合には、ヘビーカッパーがそのコストに見合う価値を発揮し始めます。

波及効果も考慮してください。仕上がり銅箔厚が 3oz 以上のあらゆる基板は、FR4 High Tg 170 のみで製造され、最小パターン寸法は下記のように大きくなり、ピッチの細かい部品は厚い外層では実装が難しくなります。多くの設計者は、重い銅を内層の電源層（当社では最大 12oz まで対応）に配置し、外層は部品パッド用に薄めに保ちます。

銅箔厚さが増えると、パターン幅とスペースはどの程度大きくなりますか？

どちらもオンスが増えるごとに大きくなり、6オンスを超えると最小間隔は最小幅よりも速く増加します。その理由はエッチングにあります。厚い銅はエッチング槽の中に長く留まり、エッチャントは下方向に削ると同時に横方向にも削るため、導体は上部よりも基部の方が幅広になります。アートワークはこれを補正しており、隣接する2本の導体の基部同士が決して接触しないよう、間隔を十分に広く取る必要があります。

PCBCart のヘビーカッパーの最小値は、発表されている mil 単位によります。mm および µm の値は、換算値を四捨五入したものです。記載のない銅厚については、当社エンジニアリングチームにご確認ください。

この表で人々を惑わせる点が三つあります。

同じ銅箔厚さの場合、内層は外層よりも広いスペースが必要になります（4オンスでは、外層が 9ミルに対して内層は 12ミル）。積層時には内層の銅がプリプレグで包み込まれなければならないため、樹脂が厚いパターン同士のあらゆる隙間に流れ込む必要があります。狭くて深い溝は樹脂不足が最も起こりやすい箇所であり、内層側の設計ルールは樹脂が流入するための余裕を確保するものです。

これらは目標値ではなく、あくまで最小値です。実際に電流を流す配線は、いずれにせよもっとずっと太くなります。最小値が本当に効いてくるのは、部品パッドのまわりや、電力デバイスのピンからのファンアウト部分、そして長く並行に走る配線同士の間などです。特に内層では、最小値きっちりの設計よりも、ある程度のマージンを持たせた設計のほうが製造しやすくなります。

スペーシング規則は、パッドピッチも制限します。簡単な確認方法としては、最小幅に最小スペースを足した値を用います。4オンスの外層では 18ミル（約0.46 mm）、6オンスの外層では 26ミル（約0.66 mm）です。もし高銅厚の外層上で使用する最もピッチの細かい部品がこの数値に近い場合、レイアウトを確定する前に、そのフットプリントを当社のエンジニアリングチームに送付してください。

ファブの最小値は電気的クリアランスではないことに注意してください。基板が高電圧で動作する場合、IPC-2221 や製品安全規格で要求されるクリアランスおよび沿面距離は、この表に記載されている値よりもはるかに大きくなる可能性があり、その要件が優先されます。

アニュラリング、ドリルサイズおよび材料の選択

ヘビーカッパーの場合、最小アニュラリングは6ミル、最小ドリル穴径は10ミルですが、厚いヘビーカッパーボードでは、これらの制限に達する前に、基板の厚みが実用上使用できるビアの最小サイズを決めてしまうことが一般的です。

ヘビーカッパー基板は、一般的に厚みのある基板を指し、当社の範囲は 0.6～6.5 mm です。 その厚み範囲の上限付近にある 10 mil（0.25 mm）の穴は、銅を深くて細いスルーホールの内壁全体に均一にめっきする必要があるため、めっき上の課題となります。 厚い基板に小径ビアを設ける予定がある場合は、レイアウト前に、当社エンジニアリングチームへ穴径と基板厚の組み合わせについて必ずご確認ください。

環状リングについては、電流を流すパッドやコネクタを固定するパッドでは、最小値である 6 mil（0.15 mm）よりも大きくすることを推奨します。リングはスルーホールと配線の間の電流経路の一部であり、厚い銅層では、スペースを広げるのと同じエッチングのアンダーカットによって、リングの端部からも材料が削り取られてしまいます。

材料に関して、ルールは単純です。仕上がり銅箔が 3oz 以上の場合は、FR4 High Tg 170 を使用します。3oz 未満であれば、Tg 140 と Tg 170 のどちらも使用可能です。High Tg の要件は形式的なものではありません。ヘビー銅基板は、あらゆる熱サイクルにおいて長時間高温の状態を維持し、レジンの Z 軸方向の膨張が、そのたびにメッキスルーホールのバレル部を引っ張ります。内層に厚いプレーンを持つ厚い基板のスルーホールが、その応力の集中する箇所となります。

大電流対応銅箔基板のご注文は、当社の標準レイヤースタックアップに基づいて製造されます。もしお客様の設計が、特定のスタックアップ、誘電体厚、または層ごとの銅厚の組み合わせに依存している場合は、ご注文前に当社エンジニアリングチームへご相談ください。いずれの場合も、銅の分布はバランスを保ってください。一方の面だけ銅を厚くし、もう一方を薄くすると、ボードのバランスが崩れ、積層やリフローの工程で反りが発生しやすくなります。

組立ラインでは何が変わりますか？

基板は不均一に加熱されます。大きなプレーンに接続されたパッドは、リフロー温度に達するのが最後になるため、プロファイルはそれらのパッドによって決まり、その隣にある小さな部品にリスクが移ります。

熱容量とリフロープロファイル

数個の電源部品が載った 1oz の基板は、他のどの基板と同様にリフローされます。 一方、複数層に 4oz 以上の銅がある基板は挙動が異なります。プレーンがその上にあるパッドから熱を引き抜いてしまい、基板全体が所定の温度に達するまでに時間がかかります。標準的なプロファイルでリフローすると、小さな受動部品は問題なくはんだ付けされますが、大きなプレーン上の電源タブは完全に濡れない場合があります。

リフロープロファイルは、通常最も銅の厚い部分にある最も昇温の遅いパッドを、最も温度に敏感な部品を過熱させることなく、適切なリフロー温度まで持ち上げる必要があります。多くの場合、それは重いゾーンがピーク前に追いつけるよう、より長いソーク時間を取ることを意味します。その点で、NS800II リフロー炉の 8 つの加熱ゾーンが、プロファイル設計の自由度を与えてくれます。厳格な制約となるのは部品の定格であり、重量のあるパッドに必要な条件は、最も敏感な部品が許容する範囲内に収まらなければなりません。両者が両立できない場合、その修正は炉ではなくレイアウト側で行うべきです。

大きな銅箔エリア上のはんだ接合部

D2PAK や TO-263 のタブ、パワー QFN の露出パッド、大型端子台のような重量級基板上の大型パッドでは、典型的な 2 つの欠陥が見られます。すなわち、接合部が十分な温度に達しないことで生じる不完全濡れと、サーマルパッド下のボイドです。ペースト印刷は、体積・面積・高さを測定できる InSPIre 510B 3D SPI で検査され、リフロー後のはんだ付け部は ALD515 AOI を通して検査されます。ボトムターミネート型のパワー部品の下に隠れた接合部は光学的には確認できないため、VIEW X2000 X線検査システムを使用します。ただし、検査は問題を見つけることはできても、設計上サーマル的に不利なパッドそのものを修正することはできません。大型パッド上のペースト量と、その周囲の銅の接続方法については、DFM 段階でしっかりと決めておく価値があります。

もう一つの被害者は、小型の 2 端子部品です。片方のパッドが厚いプレーン上にあり、もう片方が細い配線（トレース）につながっている 0402 や 0603 の部品では、トレース側が先に溶けてしまい、表面張力によって部品が立ち上がってしまうことがあります。設計上の対策は、サーマルバランスです。プレーン側をサーマルリリーフ接続にするか、両方のパッドで銅箔量を一致させます。ただし問題は、サーマルリリーフは電流も制限してしまう点です。そのため電流検出用抵抗では、電流に合わせてリリーフのスポーク幅を設計するか、両方のパッドを同等の銅箔に接続する必要があります。

組立の制限だけでなく、製造の制限も確認してください

高銅箔基板は、製造上の制限内に収まっていても、実装ラインの対応範囲を超えてしまう場合があります。 当社では最大 6.5 mm 厚の基板まで製造可能ですが、G5 ソルダーペーストプリンターが対応できるのは厚さ 0.2～6 mm、最大サイズ 400 × 310 mm の基板です。 ご使用の基板が厚さ 6 mm を超える、またはそのサイズを上回り、かつ SMT 実装が必要な場合は、外形を確定する前に必ず当社エンジニアリングチームへご確認ください。

混在した銅箔の厚さとスルーホール部品

これらの基板で最もはんだを充填しにくい接合部は、重量のあるプレーンに実装されたスルーホールピンです。プレーンがバレルから熱を奪ってしまうためです。電流を流さないピンにはサーマルリリーフを設けるべきです。電流を流すピンは、しばしばソリッド接続が必要になります。そのようなピンは、初回製造前にレビューできるよう、設計を提出する際に必ずマーキングしてください。

当ラインでは、スルーホール部品は GSD-WD300T ウェーブはんだ付け装置、または JADE MK II セレクティブはんだ付けシステムで実装されています。どちらがヘビーカッパー基板に適しているかは、スルーホール部品と SMT 部品のレイアウトによって決まり、それは初回試作時ではなく、DFM レビューの段階で決定されます。

混在した銅箔厚さは、反りとしても現れます。片側に厚銅が集中している基板や、基板の一部にだけ重いプレーンがあると、リフロー中に反りが発生し、大型部品の接合部にストレスがかかり、微細ピッチ部品の実装も難しくなります。対策はレイアウトにあります。回路が許す範囲で銅箔をできるだけ均一に配置し、部品密度の低い領域では銅箔バランスを取るようにします。

どのような表面仕上げが利用できますか？

厚銅基板には、HASL、鉛フリーHASL、ENIGを提供しています。微細ピッチ部品やボトムターミネーテッド部品がある基板にはENIGをお選びください。大型の電源部品やスルーホールコネクタが主体の基板には、HASL系のオプションが適しています。

PCBCart のヘビーカッパー基板で利用可能な表面処理

OSP と浸漬系表面仕上げは、ヘビーカッパーオプションのリストには含まれていません。現在の設計でこれらのいずれかを指定している場合、基板をヘビーカッパーに変更した後でもその理由が有効かどうかを確認するか、当社のエンジニアリングチームにご相談ください。

ヘビーカッパーデザインチェックリスト

Gerberデータを送信する前に、これを一通り確認してください。 各項目は、DFMレビューで本来であれば指摘する内容です。

大電流銅基板向け事前 DFM チェックリスト

よくある質問

図面には、出発時の銅を指定すべきですか、それとも完成後の銅を指定すべきですか。

各層ごとの最終的な銅厚を指定してください。外層はメッキ工程で銅が追加されるため、図面上にフォイルの銅箔厚だけを記載すると、最終的な厚みが解釈次第になってしまいます。この文章中のあらゆる制限値は、最終的な銅重量を基準にしています。現在の計算で特定の厚みを前提としている場合は、単にフォイル名だけでなく、その厚みの値を明示してください。

3オンスの基板はヘビーカッパーとして扱われますか？

一部です。弊社のヘビーカッパー配線幅／配線間隔の基準表は 4oz から始まりますが、材料のルールは 3oz から適用されます。仕上がり銅厚が 3oz 以上の基板はすべて、FR4 High Tg 170 上で製造されます。3oz における配線幅／配線間隔については、表からの補間ではなく、弊社エンジニアリングチームに確認してください。

ヘビーカッパー基板上で制御インピーダンス信号を配線できますか？

それを確定する前に、必ず当社のエンジニアリングチームに確認してください。ヘビーカッパーの注文は当社のデフォルトスタックアップを使用しており、4オンス以上の層ではエッチングされた導体が台形になるため、インピーダンスの予測が困難です。設計でインピーダンス制御が必要な場合は、その要件をデータと一緒にお送りください。製造でその要件を満たせるかどうか、事前にお知らせします。

ヘビーカッパーボードはどの品質クラスで製造されていますか？

IPCクラス2は、当社におけるヘビーカッパーボードの標準です。製造図面で他の受入れ基準が指定されている場合は、ご発注の前に当社のエンジニアリングチームが確認できるよう、お見積りのご依頼時にその内容を必ずご提示ください。

厚銅基板はリワークをより困難にしますか？

はい。リフローを遅らせる熱容量は、大きなプレーン上の部品をホットエアーツールやコテだけで取り外したり交換したりすることを難しくもします。プレーンが熱を奪い続けるため、通常は基板の裏面からの予熱が必要です。立ち上げ時に交換の可能性がある部品、たとえばテスト後に変更するかもしれない電力用MOSFETなどについては、電流が許す範囲で、レイアウト上である程度のサーマルアイソレーション（熱的分離）を持たせてください。

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