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消費電子機器は高周波化と高密度化が進み 高速 PCB 信号レート5Gbps以上の製品では発熱量が継続して上昇しています。設計現場では電力密度が2W毎平方センチメートルから5W毎平方センチメートル以上になるケースが増え 熱信頼性が製品寿命を左右する重要要素となっています。業界データによると高速 PCB の動作温度が10度上昇すると電子部品の寿命は50パーセント短縮します。ある5Gルーター企業では PCB の過熱が原因で返却修理率が12パーセントに達し 直接損失は8百万円を超えました。

PCBGOGOは高速 PCB 製造分野で長年の実績を持ち 材料選択 レイアウト最適化 工法改善を統合した熱信頼性ソリューションを構築しています。12層インピーダンス PCB 8層 RF 板などの製品は既に華為と中興の高温信頼性検証に合格しています。本文では IPC 2221 と GB T 4677 標準を基に高速 PCB 熱信頼性設計のポイントと具体的手順を解説します。

二 技術解説 高速 PCB の発熱メカニズムと熱信頼性の基本
2.1 発熱の主要原因
高速 PCB の発熱は次の三点が中心です。第一は信号損失に伴う介在損失 Dielectric Loss と導体損失 Conductor Loss です。周波数が1GHzから10GHzになると介在損失は約5倍に増加します。第二は部品の発熱です。高速 FPGAやプロセッサは10W以上の消費電力を持つため局所発熱が発生します。第三は熱拡散不足です。高密度配置により熱が逃げにくく エリア温度が85度を超えるホットスポットが発生します。

2.2 熱信頼性評価基準
高速 PCB 熱信頼性は二つの視点で評価されます。第一は動作温度です。一般的な消費電子製品では高速 PCB の通常動作温度はマイナス40度から85度の範囲で局所温度は100度以下に抑える必要があります IPC 9701 に基づく。第二は熱サイクル安定性です。マイナス40度から85度の熱サイクル試験を1000回実施し PCB の反りやクラックが発生せず 電気特性の変動が5パーセント以内であることが求められます。PCBGOGOは MU 恒温恒湿試験機による熱信頼性試験でこれら条件を保証しています。

2.3 PCBGOGOの熱信頼性工法
PCBGOGOは材料 レイアウト 工法の三点で熱信頼性を強化しています。材料は高熱伝導板材を採用し アルミベース銅張積層材は熱伝導率2W毎メートルケルビン以上 生益 S1130FR4 は熱伝導率0.35W毎メートルケルビンで一般 FR4 より約30パーセント高い値です。レイアウトは独自 CAM による熱経路最適化を実施し 放熱銅箔と導熱ビアを増設します。工法は熱電分離技術を導入し 安徽広徳工場では全自動無電解銅設備により孔銅厚を均一化し熱伝導性能を向上させています。

三 実践手順 高速 PCB 熱信頼性を最適化する方法
3.1 材料選択
設計ポイントは製品の電力要求と環境に合わせて熱伝導率が適合する材料を選択し 高周波環境では低損失特性を確認することです。目安として消費電力3W毎平方センチメートル以下の高速 PCB には生益 S1130FR4 熱伝導率0.35W毎メートルケルビン 介在損失係数0.0025 at10GHz を推奨します。高電力製品3W毎平方センチメートル以上にはアルミベース銅張積層材 熱伝導率2から5W毎メートルケルビン または Rogers RO4350B 熱伝導率0.6W毎メートルケルビン 介在損失0.0037 at10GHz が適します IPC 4101に準拠。HyperLynx による損失と熱解析が有効です。

3.2 レイアウト設計
設計ポイントは高電力部品を適切に配置し 放熱銅箔と導熱ビアで熱経路を構築することです。高電力 FPGAなどは基板端に配置し周辺との距離は5ミリ以上を確保します。放熱銅箔の面積はパッケージ面積の二倍以上 銅厚は2オンス70マイクロメートル 導熱ビアは孔径0.3ミリ 間隔2ミリ マトリクス配置で10個毎平方センチメートル以上が推奨されます IPC 2221 に基づく。ANSYS Icepakによる熱シミュレーションが有効です。

3.3 電源とグラウンド設計
設計ポイントは電源分配ネットワークを最適化し損失低減と発熱抑制を行うことです。電源ライン幅は2オンス銅厚で2ミリ以上 電流5Aに対応します。電源面とグラウンド面は密接にカップリングし 間隔0.2ミリ以下で電源インピーダンスを0.1オーム以下に抑えます。高速信号にはマイクロストリップおよびストリップラインを採用し グラウンド面のカバーレート80パーセント以上とします。Cadence PDN Analyst による配電ネットワーク検証を推奨します。

3.4 工法最適化
設計ポイントは表面処理とソルダーレジスト工法を適切に選択し熱伝導性能を強化することです。表面処理は無電解金めっきが推奨され 金厚1.2マイクロメートル以上とします。ソルダーレジストは太陽無ハロゲンタイプで厚さ15マイクロメートル以下とし 放熱阻害を避けます。高電力製品には熱電分離工法および金属ベース基板を使用します。金属層の熱伝導率は2W毎メートルケルビン以上が目安です。

高速 PCB 熱信頼性設計の本質は発熱源を抑制し熱経路を明確化することにあります。材料選択は電力要求に応じて高熱伝導材料を優先し レイアウト設計では熱シミュレーションによりホットスポットを事前に検出することが重要です。さらに工法面では必要に応じて金属基板や熱電分離工法を採用し総合的に熱性能を向上させます。

PCBGOGOは高速 PCB 熱信頼性で優位性を持ち 安徽広徳と広東深センの二つの生産拠点により熱解析と熱試験を含む一貫サービスを提供しています。1層から32層までの高速 PCB の試作と量産に対応し 無料試作サービスで熱設計を検証できます。量産では高熱伝導材料と最適化工法を採用し 両面基板は140元毎平方メートル 4層基板は390元毎平方メートルから提供しています。今後の高周波 高電力トレンドに対応するには PCBGOGOのセラミック基板と厚銅 PCB が有効で 熱伝導率10W毎メートルケルビン以上にも対応可能です。