圧力に耐えられる電子機器の設計

Sep 13, 2023

スレッシュ・パテル | 2023 年 2 月 22 日

電子製品は、特に過酷な環境で動作するように設計されている場合、信頼性と耐久性がなければなりません。 広範囲の温度、湿気、振動、圧力などの極端な環境条件で効率的に動作するプリント基板 (PCB) を構築することは、非常に困難です。 自動車、軍事、航空宇宙、海底エレクトロニクスなどの重要なアプリケーション向けの PCB 設計と展開を検証するために、複数の業界標準が確立されています。

極端な温度は、PCB 材料だけでなく、PCB アセンブリの形状にも影響を与えます。 圧力差により、電子製品に物理的ストレスが生じる可能性があります。 作業雰囲気中の湿気は PCB アセンブリを腐食し、電子デバイス全体を故障させる可能性があります。 自動車アプリケーションにおける振動疲労は、PCB メーカーにとって深刻な懸念事項です。

耐圧電子機器の場合、エンクロージャは非常に高温または低温、連続動作、振動、および圧力に耐えるように設計する必要があります。 PCB 設計では、極端な条件で動作するように評価されたコンポーネントと材料を使用する必要があります。 堅牢なエレクトロニクスの要件と許容基準を満たすことで、製品性能の一貫性が保証されます。 過酷な環境に耐えられるエレクトロニクスを構築するには、PCB 設計、組み立て、テストのプロセスを最適に統合する必要があります。

製品の動作環境を詳細に理解することは、堅牢なエレクトロニクスを構築するための第一歩です。 PCB はさまざまな種類の状況にさらされる可能性があります。

PCB 設計者は、特定の作業環境に基づいて、製品の展開場所や関連する次のような環境パラメータなどの必要な情報を取得する必要があります。

極端な環境では、電子機器のパフォーマンスと寿命が大幅に低下する可能性があります。 製品が過酷な条件向けに設計されていない限り、極端な温度により銅配線とともに PCB 層がランダムに膨張する可能性があります。 温度の変化ははんだ接合部にも影響を与え、したがって信号接続にも影響します。 トランジスタ、IC、ディスクリート部​​品 (抵抗、コンデンサ、インダクタなど) などの PCB アセンブリ コンポーネントには、動作温度に依存するパラメータがあり、回路の機能に影響を与える可能性があります。 高温により PCB 材料からガスが筐体内に放出され、腐食が発生する可能性があります。

圧力と振動により外部キャビネットが爆発し、電子回路が外部環境にさらされる可能性があります。 圧力差があると、PCB とそのコンポーネントに影響を与える可能性があります。 PCB 材料が環境中に急速に拡散する可能性があります。 チップの製造プロセス中に、コンポーネントの内部に空隙が作成され、空気が満たされることがあります。 PCB に取り付けられたこのようなコンポーネントは、圧力差によって破裂し、コンポーネントや製品の故障を引き起こす可能性があります。

PCB 上の湿気や埃は、信号の減衰などの電気的誤動作を引き起こす可能性があります。 過剰な湿度は PCB を腐食させる可能性があります。 極端な場合には短絡を引き起こし、火災の危険につながる可能性があります。 雷雨や静電気放電 (ESD) による電力サージは、電子製品に完全な損傷を与える可能性があります。 周囲の機器や作業セットアップからの過度の電磁干渉は、ボードのパフォーマンスを妨げる可能性があります。

電子製品の使用環境に応じて基板材質や銅箔を選択してください。

ポリイミドおよびロジャース材料 (炭化水素セラミック積層板) は、極度の高温に適しています。 極低温用途にはアルミニウム、低温用途には FR4 (難燃性 PCB 材料) を推奨します。 高湿度環境では、FR4 または低温同時焼成セラミックス (LTCC) 材料がより良い選択となります。 ポリイミドおよびポリテトラフルオロエチレン (PTFE) は耐食性 PCB 材料の例であり、湿気の多い環境に適しています。

PCB スタックアップ内のさまざまな基板とコアの誘電率 (DK) を一致させる必要があります。 また、過酷な条件下での PCB 層の均一な膨張または収縮のために、隣接する基板の熱膨張係数 (CTE) が一致している必要があります。

耐圧力エレクトロニクスを設計する際には、コンポーネントの選択が重要です。 受動部品、IC、その他の電子部品の内部構造と構造は、圧力下での基板のパフォーマンスに大きな影響を与える可能性があります。

カーボンおよび金属フィルムのスルーホール部品を備えた抵抗器、および厚膜および薄膜を備えた表面実装抵抗器はすべてボイドがなく、耐圧力設計に好まれます。 薄膜タイプは圧力依存性が最小限に抑えられ、高圧用途に最適です。

ポリマー フィルム コンデンサはボイドがなく、高圧環境でも非常に安定しています。 セラミックコンデンサは圧縮強度に優れ、耐久性に優れています。 ソフト終端タイプのセラミック コンデンサは、自動車エレクトロニクスなどの高振動アプリケーションに適しています。

トランスとインダクターは、高圧下でも強磁性特性の変化が最小限です。 アイソレータを選択する場合は、コンポーネント内に空きスペースがないように構成されている最新のオンチップ磁気結合および誘導結合アイソレータが推奨されます。 流体圧力を維持するために、機械的共振器のないシリコン発振器が海中エレクトロニクスで好まれます。

CMOS IC は通常、高圧の影響を受けませんが、オペアンプなどのアナログ デバイスの精度は、環境内のより高い圧縮力によって低下する可能性があります。 定期的な再キャリブレーションと IC の戦略的な配置は、高い環境圧力によって誘発されるダイストレスに対処するのに役立ちます。 一般に、鉛入りパッケージは、過酷な環境において表面実装部品よりも高い一貫性と耐久性を提供します。 エポキシパッケージされた IC は線形圧縮機能を示し、耐圧力設計に適しています。

電子部品は通常、回路動作中に熱を放散します。 PCB 上にコンポーネントを配置する際、電子機器の熱放散と電力バジェットを見積もる必要があります。 極限環境で電子機器を動作させるには、効率的な熱設計と放熱戦略の実装が必須です。

PCB 設計者は、大電流コンポーネントからの熱を放散するために回路基板上にサーマル ビアを組み込みます。 デバイス接合部のはんだ付け厚さを均一にすることで、コンポーネントのピンでの熱の蓄積を軽減できます。 ヒートシンクの使用だけでは効果的な熱放散が不十分な場合は、PCB アセンブリにファンなどの追加の冷却回路が必要です。

振動や圧力に敏感なアプリケーションでは、SMT PCB アセンブリがそのような要件に適合しないため、スルーホール部品 (コネクタ、抵抗、コンデンサなど) を使用することをお勧めします。 PCB 上の重要なコンポーネントの電磁シールドにより、外部ノイズの問題を軽減できます。 ほこりや湿気による損傷を避けるために、PCB 表面にコンフォーマル コーティングを施すか、コンポーネントを樹脂で封止することをお勧めします。

いくつかの種類の絶縁保護コーティングは、環境による損傷から PCB を保護できます。 エポキシ樹脂とポリウレタン樹脂は、過酷な環境に対する優れた絶縁体であり、PCB を湿気、振動、熱的および機械的衝撃から保護するために使用されます。 コーティングの厚さは、水、溶剤、ガスへの基板の浸漬をサポートします。

シリコン樹脂コーティングはシリコン樹脂を使用しており、耐薬品性、耐湿性、耐振動性に優れています。 他のコーティングと比較して、より広い温度範囲で PCB を保護できます。 この特徴により、自動車用途におけるシリコン樹脂コーティングの普及が進んでいます。

耐圧力エレクトロニクスの重要な電気的側面は、高圧での空気 (気体や流体も) の破壊領域を理解することです。 高電圧下で 2 つの導体が接近すると、静電放電や絶縁破壊が発生する可能性があります。 さらに、基板が高圧下で動作する場合、破壊磁界も加えられた圧力に応じて直線的に増加します (パッシェンの法則)。 IPC – 2221B 規格では、高電圧で発生する可能性のある絶縁破壊に対処するための導体クリアランス要件を指定しています。 耐圧力エレクトロニクスが高電界強度で動作するには、規格に準拠することが重要です。

耐圧電子機器は、展開前に追加の構造的完全性テストを受ける必要があります。 IPC 6013 は、リジッドおよびリジッドフレックス PCB の認定と性能の規格です。

過酷な環境で重要なアプリケーションに使用されるクラス 3 およびクラス 3A ボード (IPC 6011 で定義) の場合、エラーのないパフォーマンスを保証するために、検査グレードは非常に厳格です。 これらの規格に準拠することで、PCB 製品の完全性が保証されます。

高加速寿命テスト (HALT) などの回帰テストは、極端な条件をシミュレートすることでボードの信頼性を評価するために使用されます。 バーンイン テストや電気安全性テスト (EST) などの他のテストも推奨されます。 信頼性を考慮した設計の詳細については、IPC 9592 規格を参照してください。

海底エレクトロニクスでは、コンポーネントと PCB アセンブリに異なるテスト方法が採用されています。 耐圧エレクトロニクスの長期信頼性を確保するには、最終生産設計のサイクルテストが必須です。 このテスト中、PCB アセンブリは規定の速度で繰り返し加圧と減圧を受けます。 製品のパフォーマンス低下を特定するために、テスト中にホールド タイムとエンドポイントも制御されます。

堅牢なエレクトロニクスの場合、完全な PCB 開発プロセスには、PCB 基板とコンポーネントを慎重に選択し、適切な設計と組み立て手順を採用することが含まれます。 製品を定期的にメンテナンスすることで、欠陥を減らし、システム全体の故障を回避できます。 これらのガイドラインに従えば、過酷な条件の圧力下でも効率的に動作できる電子設計が得られる可能性があります。

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