PCB の平衡銅についてどのくらい知っていますか(一)

PCB 製造は、一連の仕様に従って PCB 設計から物理的な PCB を構築するプロセスです。 設計仕様を理解することは、PCB の製造可能性、性能、生産歩留まりに影響するため重要です。

従うべき重要な設計仕様の 1 つは、PCB 製造における「平衡銅線」です。 回路の性能を妨げる可能性のある電気的および機械的な問題を回避するために、PCB スタックアップの各層で一貫した銅被覆を達成する必要があります。

まず、PCB バランス銅とは何を意味するのでしょうか?

バランスのとれた銅は、PCB スタックアップの各層に対称的な銅線を配置する方法であり、基板のねじれ、曲がり、または反りを避けるために必要です。 一部のレイアウト エンジニアとメーカーは、レイヤーの上半分のミラー スタックアップが PCB の下半分と完全に対称であると主張しています。

第二に、PCB バランス銅機能

1.ルーティング

銅層はトレースを形成するためにエッチングされ、トレースとして使用される銅はボード全体に信号とともに熱を運びます。 これにより、内部レールの破損の原因となるボードの不規則な加熱による損傷が軽減されます。

2. ラジエーター

発電回路の放熱層に銅を使用することで、放熱部品を追加する必要がなくなり、製造コストを大幅に削減できます。

3.導体と表面パッドの厚さを増やす

PCB のめっきとして使用される銅は、導体と表面ランドの厚さを増加させます。 さらに、メッキスルーホールを介して堅牢な層間銅接続が実現されます。

4. 接地インピーダンスと電圧降下の低減

PCB のバランスのとれた銅は、グランド インピーダンスと電圧降下を減らし、それによってノイズを減らし、同時に電源の効率を高めます。

第三に、PCB バランス銅効果

PCB 製造では、層間の銅の分布が均一でない場合、次の問題が発生する可能性があります。

1. 不適切なスタック バランス

スタックのバランスをとるということは、設計に対称的なレイヤーを含めることを意味し、そうすることで、スタックの組み立てとラミネーションの段階で変形する可能性のある領域を回避することができます。

これを行う最善の方法は、ボードの中央でスタック ハウスの設計を開始し、そこに厚いレイヤーを配置することです。 多くの場合、PCB 設計者の戦略は、スタックアップの上半分を下半分に反映させることです。

対称重ね合わせ

2. PCB のレイヤリング

この問題は主に、コアに厚い銅 (50um 以上) を使用した場合に発生し、銅表面のバランスが崩れており、さらに悪いことに、パターンに銅がほとんど充填されていません。

この場合、プリプレグがパターンにこぼれたり、その後の層間剥離や層間短絡が発生したりするのを防ぐために、銅の表面に「偽の」領域または平面を追加する必要があります。

PCB の剥離なし: 銅の 85% が内層に充填されているため、プリプレグで充填するだけで十分であり、剥離のリスクはありません。

PCB 剥離のリスクなし

PCB の剥離のリスクがあります。銅は 45% しか充填されておらず、中間層プリプレグの充填が不十分であり、剥離のリスクがあります。

3.誘電体層の厚さが不均一

ボード レイヤー スタック管理は、高速ボードの設計における重要な要素です。 レイアウトの対称性を維持するために、最も安全な方法は誘電体層のバランスをとることであり、誘電体層の厚さは屋根層のように対称的に配置する必要があります。

しかし、誘電体の厚さを均一にすることが難しい場合があります。 これは、いくつかの製造上の制約によるものです。 この場合、設計者は公差を緩和し、不均一な厚さとある程度の反りを許容する必要があります。

対称誘電体層

4. 回路基板の断面がでこぼこ

一般的なアンバランス設計の問題の 1 つは、不適切な基板断面です。 銅の堆積物は、ある層では他の層よりも大きくなっています。 この問題は、異なる層全体で銅の一貫性が維持されていないという事実から生じます。 その結果、組み立てたときに一部の層が厚くなる一方で、銅の堆積が少ない他の層は薄いままです。 プレートに横方向に圧力がかかると、プレートが変形します。 これを避けるには、銅被覆は中心層に対して対称でなければなりません。

5. ハイブリッド（異素材）ラミネート

設計では、屋根層に混合材料を使用することがあります。 材料が異なれば、熱係数 (CTC) も異なります。 このタイプのハイブリッド構造では、リフロー アセンブリ中に反りが発生するリスクが高くなります。
第四に、銅分布の不均衡の影響

銅の堆積のばらつきは、PCB の反りを引き起こす可能性があります。 いくつかの反りと欠陥を以下に示します。

1. 反り

反りは基板の形状の変形に他なりません。 基板のベーキングおよび取り扱い中に、銅箔と基板は異なる機械的膨張と圧縮を受けます。 これは、膨張係数の偏差につながります。 その後、基板に発生する内部応力が反りにつながります。

アプリケーションに応じて、PCB 材料はガラス繊維またはその他の複合材料にすることができます。 製造プロセス中、回路基板は複数の熱処理を受けます。 熱が均等に分散されず、温度が熱膨張係数 (Tg) を超えると、基板が反ります。

2. 導電パターンの電気めっき不良

めっきプロセスを適切に設定するには、導電層上の銅のバランスが非常に重要です。 銅が上下でバランスが取れていない場合、または個々の層でさえもバランスが取れていない場合、過剰めっきが発生し、配線の配線や接続のアンダーエッチングにつながる可能性があります。 特に、これは測定されたインピーダンス値を持つ差動ペアに関係します。 正しいめっきプロセスの設定は複雑で、時には不可能です。 したがって、銅のバランスを「偽の」パッチまたは完全な銅で補うことが重要です。

バランスの取れた銅を補充

補足的なバランスのない銅

3.アーチ

銅の量が不均衡な場合、PCB 層は円筒状または球状の曲率を示します。 簡単に言えば、テーブルの四隅が固定されていて、テーブルの上部がその上にあると言えます。 それは弓と呼ばれ、技術的な不具合の結果でした。

弓は、カーブと同じ方向にサーフェスに張力を発生させます。 また、ボードにランダムな電流が流れます。

弓

4.弓効果

1) ツイスト

歪みは、基板の材質、厚さなどの要因に影響されます。ねじれは、基板の 1 つのコーナーが他のコーナーと対称的に整列していない場合に発生します。 1 つの特定の面が斜めに上がり、他の角がねじれます。 テーブルの一方の角からクッションを引っ張り、もう一方の角をひねるのとよく似ています。 下の図を参照してください。

歪み効果

2) 樹脂ボイド

樹脂のボイドは、単に不適切な銅メッキの結果です。 組立応力中、応力は非対称にプレートに適用されます。 圧力は横方向の力であるため、銅の堆積物が薄い表面では樹脂がにじみ出ます。 これにより、その場所にボイドが作成されます。

3) 反り・ねじれの測定

IPC{{0}} によると、曲げとねじれの最大許容値は、SMT コンポーネントを含む基板では 0.75%、その他の基板では 1.5% です。 この規格に基づいて、特定の PCB サイズの曲げとねじれを計算することもできます。

船首許容値=プレートの長さまたは幅 × 船首許容値のパーセンテージ / 100

ねじれの測定には、ボードの対角線の長さが含まれます。 プレートがコーナーの 1 つによって拘束され、ねじれが両方向に作用することを考慮すると、係数 2 が含まれます。

最大許容ねじれ=2 x ボードの対角線の長さ x ねじれ許容率 / 100

ここでは、長さ 4 インチ、幅 3 インチ、対角 5 インチのボードの例を見ることができます。

船首ねじり測定

全長にわたる曲げ許容量 {{0}} x 0.75/100=0.03 インチ

幅の曲げ許容量 {{0}} x 0.75/100=0.0225 インチ

最大許容歪み {{0}} x 5 x 0.75/100=0.075 インチ