圧力に耐えられる電子機器の設計

Jun 09, 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。