高密度PCB

過酷な環境において PCB が直面する主な課題は次のように要約できます。
湿気、ほこり、汚れ：これらの環境要因に対抗するには、多くの場合、コンフォーマル コーティングとして知られる特別なプロセスで PCB を処理する必要があります。これにより、組み立てプロセス後に PCB がシリコン、アクリル、ウレタン、p-キシレンなどの非導電性保護材料の薄層で覆われます。このコーティングにより、電子回路を外部の汚染物質から保護し、寿命を延ばすことができます。

高温:PCB が標準を超える温度で継続的に動作する必要がある場合は、より厚い銅 (重い銅) の層を使用することをお勧めします。 1 平方フィートあたり 3 オンスを超える銅の厚さは通常、準拠コーティングの適用と組み合わされて、高温での連続動作の場合に基板に高レベルの保護を提供します。 FR-4 TG140 または TG170) など、より高いガラス転移温度 (Tg) を持つ層を使用すると、PCB が温度からさらに保護されます。

電離放射線:航空宇宙用途の PCB は、太陽やその他の天体から発生する電磁放射線に加えて、さまざまな種類の粒子にさらされます。この放射線は、特に自動車や航空宇宙用途において、一時的な障害 (ビット フリップやメモリの削除など) を引き起こしたり、コンポーネントに永続的な損傷を与えたり、衝撃や振動を引き起こす可能性があります。

腐食：これは、あらゆる金属部品にとっての主な落とし穴の 1 つです。腐食は、酸化として知られるプロセスを介して酸素と金属が互いに結合するときに発生します。これにより錆が発生し、金属の化学的特性が失われ、時間の経過とともに分解します。 PCB には多量の金属が含まれているため、酸素にさらされると腐食されやすくなります。

大気中の物質による損傷を防ぐために、組み立て後にコンフォーマル コーティングとして知られる非導電性保護コーティングが PCB に塗布されます (図 1)。これは一般に、湿気、埃、またはその他の過酷な環境要因の存在下で動作することが一般的である、民生用、家電製品、およびモバイル機器用の PCB に適用されます。 PCB に適用される保護層により、PCB 層に存在する水分が外部に流出すると同時に、外部の因子が基板とそのコンポーネントに到達して動作が損なわれるのを防ぎます。信頼性の向上に加えて、絶縁保護コーティングは回路の寿命を延ばします。

最も一般的なタイプの絶縁保護コーティングは、シリコン、アクリル樹脂、ポリウレタン、p-キシレンであり、それぞれ一定レベルの保護を提供できます。たとえば、シリコーンは最も広い温度範囲をカバーできるため、極端な温度の用途には最適です。一方、シリコーンは、アクリル樹脂に比べて、基材によっては接着力が弱く、耐薬品性も劣ります。後者は、その構造が硬いため、衝撃や振動が存在する環境には特に適していません。ポリウレタンは、湿気、摩耗、振動に対して高い耐性を持ち、低温にはよく耐えますが、高温には耐えられません。したがって、主に -40 度から +120 度の温度の用途で使用されます。 P-キシレンは高い保護を提供する安定した材料ですが、高価であり、汚染物質に敏感なので真空中で適用する必要があります。

PCB コンフォーマル コーティングの塗布に関しては、浸漬、自動選択コーティング、スプレー、およびブラッシングの 4 つの技術を使用できます。これらの代替案はそれぞれ、基板の鋭いエッジとすべてのエッジを含む PCB を完全にカバーするという同じ目標を達成します。塗布後、コンフォーマルコーティングは空気乾燥、オーブン乾燥、または UV 光によって硬化されます。

PCB 上のコンポーネントの密度が増加すると、動作温度の上昇は避けられず、異なる物理的特性を持つ材料の膨張と収縮により、長期的には溶接部や層自体の完全性が損なわれる可能性があります。したがって、高温 PCB には、少なくとも 170 度のガラス転移温度 (Tg) を持つ誘電体を使用する必要があります。通常適用される規則は、使用される材料の Tg 値より最大約 25 度低い動作温度を許容することです。材料の選択に加えて、生成された熱を除去し、それを PCB の他の領域に伝達することによって、PCB の高温を管理できます。高温のコンポーネントが PCB の上面に取り付けられており、その表面が十分に大きい場合は、その上にヒートシンクを取り付けて、最初に伝導 (コンポーネントからヒートシンクへ)、次に対流 (コンポーネントからヒートシンクへ) によって熱を除去できます。ヒートシンクの表面が周囲の冷たい空気に影響します)。

高温のコンポーネントが PCB の下側に取り付けられており、ヒートシンクを取り付けることができない場合、設計者が通常使用する手法は、PCB 上に多数の熱パスを挿入して、高温のコンポーネントから熱を伝導します。層。 PCB の上部に銅を配置し、そこから適切なヒートシンクにさらに転写することができます。通常、PCB に取り付けられたヒートシンクは大きく、放熱面積を増やすためにフィン付きまたは波形の表面が付いています。ファンを追加すると、自然対流冷却と比較して強制対流冷却を向上させることができます。

長期にわたる宇宙ミッションの場合、利用可能な唯一のオプションは、「耐放射線性」コンポーネントを使用することです。これらのコンポーネントは非常に希少であるため、標準コンポーネントよりも高価になります。短期宇宙ミッション（最長 1 年）の場合、放射線耐性の分析と検証を条件として、標準的な市販コンポーネントの使用が許可される場合があります。これにより、宇宙機器の設計コストを削減し、設計に利用できるコンポーネントの選択肢を広げることができます。さまざまなハードウェア設計手法を適用することで、放射線による影響に対抗できます。たとえば、PCB 設計レベルでは、すべての金属部品の適切な接地を確保することが重要です。

衝撃や振動から保護するために、PCB を容器に取り付け、樹脂を流し込んで完全に封止します。樹脂層が厚いほど保護度は高くなります。ただし、PCB 上のすべてのコンポーネントの高さが均一でない限り、樹脂層の厚さは全体的に異なり、各コンポーネントの保護レベルがわずかに異なります。したがって、最も薄い樹脂層は、最悪の場合、基板全体に提供される保護レベルに相当します。樹脂封止を検討する前に、PCB を徹底的に洗浄する必要があります。表面の汚染は、特に耐薬品性の場合（化学物質が侵入しやすくなるため）、カプセル化による保護レベルに悪影響を与える可能性があります。