メタルコアPCB：実装歩留まりに影響する設計ルール

金属コア基板における実装上の問題のほとんどは、3つの設計上の判断に起因します。すなわち、特定の部品の下にどれだけの熱容量を持たせるか、熱経路上のはんだパッドをどれだけ大きくするか、そして取り付け穴をパッドや基板端からどの位置関係で配置するか、という点です。図面上でこれらを正しく設計できていれば、リフロープロファイルの調整は通常のチューニング作業になります。逆に間違えてしまうと、どんなオーブン設定でも完全には解決できません。

この記事では、熱密度の高さを理由に基板を選定するLED照明および電源モジュールを設計するエンジニア向けに、メタルコア基板のデータが生産ラインへ送られる前に確認しているアルミニウムPCB設計ガイドラインについて解説します。

金属コア基板は、実装ライン上でFR-4基板とどのように異なりますか？

金属ベースはリフロー中に熱を吸収し、その影響が後工程のすべてに及びます。FR4基板は比較的均一かつ迅速に温まります。メタルコア基板は、薄い絶縁層の下に厚いアルミニウムまたは銅の板を持っているため、加熱が遅く、一度温まると熱を保持し、冷めるのも遅くなります。細い配線上の小さな部品はすぐに液相温度に達しますが、同じベース上にある大きなサーマルパッドはそれより遅れる場合があります。

3つの実務的な結果が導かれる。

プロファイルは、FR4基板の作業から流用するのではなく、実際の基板上で熱電対を用いて作成しなければなりません。

銅箔や部品の分布が非常に不均一な基板では、パネル全体の温度ばらつきが大きくなります。

取り扱いについて。ベース側はベアメタルであるため、基板にはサポートされた搬送と治具が必要です。これには人造石の治具を使用しており、はんだペースト印刷および実装の全工程を通して基板を平坦かつ安定させることが、ペースト付着量を安定させる一因となります。

当社の標準的なメタルコア基板は IPC Class 2 に準拠して製造されています。ベース材料は 1060 アルミニウムまたは銅で、基板厚さは 0.8～5.0 mm の範囲となっており、選択した厚さは基板が所定温度に到達するまでの時間に直接影響します。厚ければ自動的に製品にとって良いというわけではありません。もし 1.0 mm のベースで熱設計の許容範囲を満たしているのであれば、安全のために 3.0 mm を指定すると、利点のないままリフローを困難にしてしまいます。

図面に記載する誘電および熱に関する数値

誘電特性は材料名のままにしておくのではなく、製造ノートに記載してください。なぜなら、製造工場と自社の受入検査で確認できるのはその情報だからです。当社のアルミ基板については、参照できる数値は次のとおりです。

この表を読むにあたって、2つのポイントがあります。 1つ目は、熱伝導率の数値はアルミニウムではなく、絶縁層を示しているという点です。熱経路におけるボトルネックは絶縁層であり、そのためデータシートの比較ではアルミ基板の熱伝導率の値が大きな注目を集めるのです。 2つ目は、熱抵抗は測定される面積に依存するため、パッドのフットプリントと比較する前に、自分の熱モデルがどの面積を前提としているかを確認してください。

表面処理について：ENIG は平坦なパッドを提供し、微細ピッチ部品や小さなパッドでのペースト離型の安定性に役立ちます。HASL はより安価で、大型の LED や電源フットプリントには十分実用的ですが、パッド高さにばらつきが生じるため、微細ピッチ IC と大きなサーマルパッドが混在する基板には選択しません。どの表面処理が部品構成に合うか判断がつかない場合は、BOM をお送りいただければ、こちらでご提案します。

これらのボード上で熱経路がどのように構築されているかをより広い視点から見るには、私たちのアルミニウムPCB機能ページ完全な材料および工程の選択肢を一覧表示します。

銅箔厚さ、トレースおよび間隔の制限

仕上がり銅箔厚は 0.5～10 オンスの範囲で、ライン幅およびスペースは最小 4/4 mil まで対応します。これら両極端の仕様を同一基板上で両立させることは、多くの場合できません。ヘビーカッパーでは、より広いクリアランスが求められますが、これは実装上だけでなく製造上の現実でもあります。

実装においては、パッド上の熱容量が増えるため、銅箔の厚さが重要になります。ソリッド接続で重い銅プレーン上に載っている部品は、サーマルリリーフや細いネックで接続されている同じ部品に比べて、はるかに加熱が遅くなります。これは厚銅基板全般にいえるのと同じ理屈ですが、メタルコア基板では、ベースが熱を吸収する効果の上にさらに重なって効いてきます。

私たちが通常提案するのは：

電流および熱の計算から適切な銅箔厚を選択したら、そこで止めてください。実際に電流経路をモデル化していない限り、「余裕」を見込んで 2 oz から 4 oz に増やすことは、ほとんどの場合見合いません。

ドライバICの信号ピンなど、放熱経路に含まれないパッドにはサーマルリリーフを使用し、隣接パッドとほぼ同時に濡れ広がるようにします。

サーマルパッド自体はそのまま一体の状態にしておいてください。そこが放熱経路であり、その部分にリリーフを入れてしまうと本来の目的を損なってしまいます。

同一基板上で最も厚い銅箔エリアから、4/4 mil の微細パターンを離して配置し、重銅箔とタイトなパターン寸法を組み合わせる場合は、事前に当社のエンジニアリングチームに確認してください。

不均一な銅の分布は、温度勾配としても現れます。基板の片側に大きな銅箔エリアがあり、もう片側にまばらな配線しかない場合、両方の面が同じ基材を共有していても、リフローは均一には行われません。

穴、ザグリおよび取り付け機能

メタルコア基板は通常、ヒートシンクや筐体にボルト固定されるため、取付穴は後付けの要素ではありません。参照可能なドリルおよびルーティングの制限値としては、最小穴径が6ミル、最小ランド幅（アニュラリング）が4ミルとなります。皿穴およびねじ穴にも対応しています。

組み立てに影響する設計上の問題の多くは、主に距離とクリアランスに関するものです。

ホールとパッドの間隔金属ベースは導電性があり、絶縁破壊電圧は 2 kV DC を超えます。ベースに開けられた穴の壁面には露出した金属が現れるため、銅パッドや配線は穴の縁から十分に離して配置してください。推測せずに、お使いの電圧クラスに必要な具体的なクリアランスについては当社までお問い合わせください。

皿取り工具皿穴加工は、基板の局所的な厚みを変化させ、穴付近の誘電体による支持を取り除きます。その領域には部品やはんだパッドを配置しないでください。LEDフットプリントにぎりぎりまで寄せて皿穴を描くことは、こちらから設計に関する質問を差し戻す一般的な理由のひとつです。

エッジおよび取付穴の位置基板は治具やコンベヤーで搬送されるため、ラインで使用できる位置にツーリングホールやフィデューシャルを配置し、支持が薄くなる端部ぎりぎりに重量部品を配置することは避けてください。ねじ位置の都合で部品を無理な位置に置かざるを得ない場合は、早めにお知らせください。後からコネクタやドライバを動かす方が、今の段階で穴を移動するよりもコストがかかります。

熱的な挙動においては、穴の数も重要です。高温部品の近くに複数の大きな穴があると、その部品からの熱の逃げ方が変化し、最終製品とリフロー結果の両方に影響を及ぼします。

リフロー中に何が問題となり、レイアウトがそれをどのように防げるのか

メタルコア設計で最もよく見られる3つの問題は、不均一な加熱、サーマルパッド下のボイド、および厚銅の隣にある小型部品での部品のずれやツームストーン現象です。

不均一な加熱。小型チップ部品の一端が大きな銅箔エリア上にあり、もう一端が細いパターン上にある場合、細い側の端子が先に濡れ広がり、部品が立ち上がってしまうことがあります。対策はレイアウト側で行います。すべての2端子部品について、両方のパッドの銅接続を揃えるようにします。当社の3D SPIおよびAOIはその症状を検出できますが、原因自体を取り除くことはできません。

サーマルパッド下のボイド大型のはんだ接合部はフラックスのアウトガスを閉じ込めてしまい、金属ベースによってリフローがわずかに遅くなることで、その問題がさらに悪化します。設計者は次のような方法で対処できます。

大きなサーマルパッドは、1 つの大きな開口ではなく、窓状または分割されたペーストパターンに分割し、そのパターンがお客様の部品に適しているかどうかを当社に確認してください。

不均一に濡れてしまうパッド仕上げや表面状態は避けてください。これは、ボイド性能が重要となる基板において ENIG を採用すべきであるもう一つの理由です。

事前に受入れ基準を決定してください。ボイド量が懸念される場合、当社ではオフラインX線による検査を行いますが、必要とされる上限値は、初回製造の前に図面上に明記するか、当社との間で合意しておく必要があり、製造中に判明するようなことがあってはなりません。

はんだペーストの印刷も重要な要素です。必要に応じて MYCRONIC ジェットプリンターを使用し、体積と位置を確認するために 3D SPI を用いていますが、そもそもガスを閉じ込めてしまうような設計のパッドレイアウトを、ペースト印刷の制御だけで補うことはできません。

プロファイル依存性当社では、実基板上で取得した熱電対データに基づいてプロファイルを作成し、JTR-1200D-N リフロー炉でメタルコア基板を実装しています。お使いの基材およびはんだペーストに適した具体的な温度、昇温レートの上限、液相線以上の保持時間については、当社エンジニアリングチームにご確認ください。母材の厚さ、銅箔の分布、実装部品の構成によって基板に必要な条件が変わるため、当社では画一的な標準プロファイルは公開しておりません。

また、Smart MES を通じてプロセスデータも記録しており、これにより、ある製造品を使用した設定までさかのぼって追跡する必要がある場合に役立ちます。 これはトレーサビリティであり、歩留まりを保証するものではありません。その違いについては明確にしておきたいと考えています。

これらの問題の熱流に関する背景をさらに知りたい場合は、次の記事を参照してくださいメタルコアPCBの熱問題とその解決策基板の挙動について、より詳しく掘り下げて説明しています。

デザインチェックリスト

ファイルをリリースする前に、これらを一通り確認してください。各項目は、実際のメタルコア案件で実際に問い合わせざるを得なかった内容です。

製造図面に記載されたベース材料（1060アルミニウムまたは銅）および板厚（0.8～5.0 mm）、ならびに選定した板厚の理由。

誘電体の熱伝導率（> 0.8 W/m・K）および熱抵抗（< 1.2 °C/W）を、単なる材料名ではなく要件として記載すること。

記載された絶縁破壊電圧要件（> 2 kV DC）に加えて、動作電圧および必要とされるクリアランス条件を明記すること。

完成した銅箔厚さは0.5〜10オンスの範囲とし、電流および熱計算により正当化されていること。

ライン/スペースは 4/4 mil より細くせず、また当社エンジニアリングチームに確認することなく高銅厚仕様と混在させないでください。

穴径は6ミル以上、ランド幅（アニュラリング）は4ミル以上。

皿穴およびねじ穴の寸法を設定し、皿穴ゾーン内にはパッドや部品を配置しないようにする。

すべての2端子部品の両方のパッドには、それぞれ対応する銅配線が接続されています。

サーマルパッドは基板上でソリッドとし、大きなパッドについてはウィンドウ状のペーストパターンを提案します。

最初のビルド前に定義されたボイド受け入れ限度。

コンポーネント構成に応じて選択された表面処理（HASL、鉛フリーHASL、またはENIG）。

生産ラインで使用できる位置に、基準マークおよび治具用の穴を配置すること。

クラス2は受け入れクラスとして規定されています。

よくある質問

1. より厚いアルミニウム製ベースは、常に放熱性能を向上させますか？

それ自体ではそうなりません。誘電体層は通常、熱の経路における律速段階であり、ベースの厚みを余分に増やしても、その抵抗を低減することなく質量だけが増加します。ただし、リフローを遅くし、基板を重くはします。機械的な要件とヒートシンクとの接触を基準に厚みを選び、そのうえで熱モデルを確認してください。

2. 1つの設計ファミリー内でアルミニウムと銅の両方のベース材料を使用できますか？

はい、多くのチームがそうしています。たとえば、メイン製品にはアルミニウムを使用し、より高出力のバリアントには銅を使用する、といった具合です。2つのベースは熱の吸収の仕方が異なるため、組み立てプロファイルは同一にはならず、各バリアントにはそれぞれ専用の熱電対プロファイルが必要になります。

3. 金属コア基板の両面に部品を実装すべきですか。

標準的な方法は、回路側に部品を配置し、金属ベースをヒートシンク側に向けることです。 もしお客様の設計で別の構成が必要な場合は、スタックアップのコンセプトをお送りください。実装を確定される前にこちらで確認いたします。

4. サーマルパッドのボイド要求はどのように指定すればよいですか？

部品名、パッド名、および許容できる最大ボイド量を明記し、初品に対してX線検査を要求してください。自社の信頼性データに基づく数値がない場合は、無関係な規格から数値を流用するのではなく、当社のエンジニアリングチームと協議してください。

5. デザインレビューには何を送ればよいですか？

ガーバーデータ、板厚やサーマルに関する注記付きの図面、BOM、そして目標となるヒートシンクまたは実装形態です。実装情報があれば、早い段階で穴やクリアランスに関する問題を検出するのに役立ちます。

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