インテリジェントな電子機器を用いて電気駆動装置や電源装置の電流を制御するには、電力とマイクロエレクトロニクスのバランスを巧みにとらえる必要があります。この記事では、最大1,000Aの電流に対応する、ユニークで多様な高電流PCB技術の様々なバリエーションについて説明します。この技術の核となるのは、表面から突出し、SMDやその他の電力部品と接続する埋め込み型銅バーです。
高電流導体と電子部品との間の隙間を埋めるためには、通常、多数のケーブル、実装材料、インターポーザーが必要となり、特にSMDが使用される場合はその傾向が顕著です。目的は、プリント基板にバスバーを統合することで、システムの構造面積と組み立て工数を削減し、駆動電流と供給電流、そして電子制御を統合することです。
電力用途向けに設計された回路基板技術は数多く存在します。例えば、銅層を最大400マイクロメートルまで厚くした多層配線構造があり、上層では銅層を平坦化することが可能となっています。さらに、アイスバーグ法、ワイヤーレイド法、厚銅積層板の部分埋め込み法など、銅の断面積を選択的に増加させる手法もいくつか提供されています。
駆動技術：モーター制御用の高電流PCBを最適化
この記事では、高電流回路基板向けの3つのPCB技術（Dickschicht、Iceberg、HSMtec）を比較します。PCBトポロジとPCB設計は、パワー半導体の電流容量と放熱性に影響を与えます。
FR4基板上で負荷回路とロジック信号用の細線導体を統合するための適切な技術が利用可能です。これにより、従来の別基板接続技術を回避し、スペースを節約できるため、モーター制御の信頼性が向上します。PCB開発者は、パワー半導体の電流容量と放熱性を、それぞれのタスクに応じて最適化できます。
プリント回路基板の観点から見ると、駆動用電子機器の仕様は、1) 高い集積密度、2) 電子アセンブリの信頼性、3) 高速放熱、4) 制御電子機器と組み合わせた高電流、および 5) SMD コンポーネントへの切り替え、コンポーネント数やアセンブリ プロセスの削減などによるシステム コストの削減、という XNUMX つのポイントにまとめることができます。
スマートな解決策は、電源部と制御エレクトロニクス、つまり負荷回路と制御ロジックを、4つの基板ではなくXNUMXつの基板に統合することです。しかし、この方法では、大電流導体用の大きな導体断面積と長い絶縁距離が必要になり、同時に、制御用の微細な導体構造をXNUMXつの基板上に配置する必要があります。これにより、高価なプラグ接続、ケーブル、バスバー、そして信頼性を制限する組み立て工程とリスクが排除されます。PCBスペシャリストであるKSGは、このために厚銅、アイスバーグ、HSMtecのXNUMXつの技術を採用しています。これらXNUMXつのプロセスはすべて、標準基板FRXNUMXを使用します。
高電流PCBとの安全な接触
これらの技術にはすべて共通点があります。それは、高電流PCB基板の各層と表面実装部品やネジ接続部の接続部との間に、通常十分な断面積がないことです。ビアは、必要な電流値のボトルネックとなります。また、圧入プラグ、ネジ、クランプも、各層との確実な接続を保証するものではありません。接続部をきれいにはんだ付けすることによってのみ、部品から全層への連続的な接続が実現します。しかし、銅箔の総厚が厚くなるほど、はんだの浸透リスクは高まります。
一方、高電流回路基板は、設計に関わらず、最大の導体断面積で部品や接続部と接触します（下図2）。これにより、SMおよびTHT部品は、電流経路にボトルネックが生じることなく、ボンディングされたパワー半導体、プレスイン接点、ねじ込み接続と組み合わせることができます。同時に、バスバーはヒートシンクとしても機能します。部品はこの熱質量に直接接触するため、最適に冷却されます。
高電流PCBの設計、製造、加工
電気工学で知られる従来のバスバーとは異なり、高電流回路基板には個別に成形された銅部品が使用されています。銅部品の形状と配置は自由に定義できます。これにより、レイアウト設計者は部品と接続部を自由に配置することができ、熱特性と電気特性が最適化されたコンパクトなモジュールを構築できます。
高電流プロジェクトはそれぞれ独自の特性を持つため、一般的な設計ルールを定めることは困難です。銅部品や絶縁バーのサイズや形状に応じて、各プロジェクトごとに設計限界を確認する必要があります。ガイドライン値は、設計の大まかな指針となります。
高電流対応PCB回路基板を製造するには、まず銅部品を製造します。部品のサイズ、形状、数量に応じて、エッチング、フライス加工、またはパンチング加工が行われます。銅部品は、あらかじめフライス加工されたフレームに配置され、プリプレグやその他の層でプレスされます。
高電流PCBの利点の一つは、加工性です。バスバーが埋め込まれているため、高電流回路基板は、重量を除けば、外観上は他の回路基板と区別がつきません。プロファイルを高熱質量に設定すれば、従来のSMDプロセスで加工可能です。経験上、これらのはんだ付けプロセスは容易に習得できます。一方、高電流レールに直接接触する部品の修理プロセスは、従来のフラットアセンブリよりも複雑です。
高電流PCBの技術バリエーション
起こりうる変化を考慮すると、高電流 PCB ボードの潜在能力が明らかになります。
この技術は、銅部品が表面まで達し、TOPおよび／またはBOTの他のパッドと面一になるように成形されている場合に最大のメリットを発揮します（図1）。これにより、完全に平坦な回路基板が得られ、後続のペースト印刷および組み立て工程で調整なしで加工できます。ケーブルラグ、モジュール、ねじ止め部品も、高電流位置への接続が容易になります。
この技術の別のバージョンでは、高電流層が回路基板の端から横方向に突出しています。これらの接点はプラグとして直接使用することも、従来のバスバーの端部のように接続することもできます。
次の 2 つの高電流 PCB 回路基板のバリエーションは、コンポーネントの冷却よりも高電流に重点を置いています。
銅部品が上下両面にSMD接続面を持つ場合、従来のプリント基板インレイと同様に機能します。プリント基板の切り欠きに押し込むことで、電力部品の熱を上面から下面へ伝導します。埋め込まれた銅部品（図9）は、従来のインレイとは異なり、基板に機械的なストレスがかからないため、製造および加工における信頼性が向上します。さらに、パッドのサイズと位置は個別に選択できます。追加の手間をかけずに電気接続も可能です。
高電流PCB基板の最後のバリエーションは片面バージョンです（図10および11）。このバージョンでは、銅板の隆起パッドが薄い絶縁層の絶縁体を突き抜け、SMDヒートシンク接点として対応するコンポーネント接続部に直接接続されます。IMS製のアルミニウム基板とは異なり、このバージョンには絶縁層がないため、ここで大幅に高い電力を放散できます。このような構造は、特に最大10Wの高性能LEDに使用されます。
高電流回路基板では、 MOKOテクノロジー 熱管理分野における技術範囲を、もう 1 つの重要なコンポーネントによって拡大しています。
固体銅は回路基板に埋め込まれており、表面に達する SMD パッドに直接取り付けることができます。
SMD高電流回路基板の構造
高電流回路基板は、他の組み立ておよび接続技術でも接続できます。
– リフロー/ウェーブはんだ付けSMD / THT-アルミワイヤボンディング
– ネジ：アイレット/ネジ穴
– 外層からの盲穴
– プレスフィット技術による高電流コネクタ
多くの場合、高電流 PCB の製造にかかる追加労力は、特別に実装された製造プロセスと標準プロセスの最適化されたプロセス制御によって部分的に削減できます。
厚い銅のPCBは電力損失を水平に分散します
厚銅技術は長年にわたり市場で確立されており、大量生産されています。PCB業界では、通常、105µm以上の銅構造を厚銅と呼びます。厚銅導体は、電力部品からの高電力損失の水平方向の熱分散を改善し、大電流の伝送にも役立ちます。また、高電流PCBアプリケーションにおいて、バスバーの打ち抜き加工や曲げ加工構造を置き換えることができます。最大400層の内層（各層XNUMXµmの銅）により、数百アンペアの電流容量を実現できます。理想的には、厚銅導体は内層に配置されます。
厚銅PCBは、レイアウト変更の柔軟性、コンパクトな設計、シンプルな加工/組み立て、比較的低い変更コスト、そしてPCB業界の標準プロセスといった点で優れています。厚銅回路基板のプロセスステップは従来の回路基板の標準的なスループットと大きく変わりませんが、製造には特別なプロセス経験と管理が必要です。厚銅回路基板はエッチングラインに10～15倍長く留まり、典型的なエッチングプロファイルを有します。厚銅回路基板のエッチングおよびドリリングプロセスは回路図の設計ルールを決定するため、遵守する必要があります。PCBメーカーは、コストとプロセスに最適化された層構成と設計ルールに関する提案リストを提供しています。
重要な点：ベース銅クラッドが4µm以上のFR105ラミネートは、銅含有量が多いため高価です。両面に18µmの銅をラミネートした標準的なラミネートと比較すると、材料コストは約1:8～1:10です。PCB開発者は、材料を最大限に活用するよう注意する必要があります。PCBメーカーとの早期の調整は、コストを大幅に削減するのに役立ちます。小型化に関しては、厚銅技術には限界があります。強いアンダーカットのため、比較的粗い構造しか作成できません。もう一つの制限として、厚銅導体と同じ配線レベルでは、細い信号配線は不可能です。
氷山：均一な表面地形の場合
配線レベルでは、ロジック回路用の70～100µm厚の銅箔領域と、負荷回路用の最大400µm厚の銅箔領域があります。厚い銅箔は基板内に大きく埋め込まれているため、導体パターン全体にわたって均一な表面トポグラフィーが得られます。この氷山原理は、内層の厚い銅箔と組み合わせることもできます。
400µm厚の銅箔領域のXNUMX分のXNUMXを基材に埋め込むことで、平坦なプリント基板表面を実現します。利点：導体側面をソルダーマスクで確実に覆うことができるため、たったXNUMX回の鋳造工程で済みます。その後の組み立て工程も同一工程で行えます。アイスバーグ構造は電力部品のヒートシンクとしても適しており、めっきスルーホール（ビア）と組み合わせることで熱管理を最適化できます。
HSMtec: 内層と外層の銅元素
回路基板上で負荷とロジックを統合するもう一つの方法がHSMtecです。この技術では、FR4多層基板の内層と外層下、高電流が流れる箇所に選択的に銅箔を配置し、エッチングされた導体パターンのベース銅に超音波接合します。層をプレスした後、銅箔は外層下または内層に配置されます。回路基板の残りの部分は影響を受けません。
多層構造は標準的な製造工程で製造され、その後、通常の組立工程およびはんだ付け工程で加工されます。この構造により、機器の絶縁耐力および絶縁クラスの電気的仕様を満たすだけでなく、車両内の限られた設置スペースにおいても厳しい温度条件を満たすことができます。
多層構造内部のソリッド銅プロファイルは、90次元構造も可能にします。銅プロファイルに垂直なノッチフライス加工により、回路基板の各セグメントを最大XNUMX°まで曲げることができます。これにより、設置スペースを有効活用し、大電流と熱を曲げエッジを介して伝導します。構造はXNUMX次元回路基板としてレイアウトされ、パネル内に製造・組み付けられます。モジュールを組み立てた後、回路基板はXNUMX次元形状に曲げられます。
このソフトウェアは、高電流導体トラックの寸法決定において開発者をサポートします。電流や温度などのわずかな入力だけで、HSMtecだけでなく、70µmおよび105µmの銅被覆の最小線幅を算出します。
