PCBの設計は、デバイスが小型化していくにつれて特に困難を極めます。高電流PCBの設計は、あらゆる課題に加え、さらに独自の要素を考慮する必要があるため、さらに複雑になります。
専門家は、高出力デバイスの需要が増加し、2030年までに産業用IoTの年間成長率が2桁に達する可能性が高いと予測しています。このトレンドに合わせて高電流電子機器のPCB設計を最適化する7つのステップを紹介します。
1.十分なケーブルサイズを確保する
配線サイズは、高電流PCBの設計において最も重要な考慮事項の一つです。銅配線は、よりコンパクトな設計のために小型化される傾向にありますが、高電流ではこの方法は有効ではありません。断面積が小さいと、放熱による電力損失が発生する可能性があるため、適切な大きさの配線サイズが必要です。
ワイヤの断面積は、ワイヤの幅と銅の厚さという2つの要素を調整することで変更できます。この2つのバランスをとることが、消費電力を削減し、理想的なPCBサイズを維持する鍵となります。
PCB配線幅計算ツールを使えば、デバイスに必要な電流の種類に対応できる配線幅と厚さを知ることができます。これらのツールを使用する際は、必要と思われるよりも高い電流に対応できるよう配線サイズを設計するよう注意してください。
2.コンポーネントの配置を再考する
部品レイアウトは、高電流PCB設計におけるもう一つの重要な考慮事項です。MOSFETなどの部品は大量の熱を発生するため、他の高温部や温度に敏感な箇所から可能な限り隔離することが重要です。しかし、フォームファクタが縮小されていると、これは必ずしも容易ではありません。
アンプとコンバータは、MOSFETなどの発熱体から適切な距離を保つ必要があります。高出力ゾーンを基板の端に配置したくなるかもしれませんが、それでは均一な温度分布が得られません。そのため、アンプとコンバータは基板全体に直線状に配置され、エネルギーを蓄え、より均一な熱分布を実現します。
最も影響の大きい領域に最初にアプローチすることで、理想的なコンポーネントを特定しやすくなります。まず、高温コンポーネントの最適な配置場所を決定します。配置場所がわかれば、残りのコンポーネントで隙間を埋めることができます。
3.放熱管理の最適化
同様に、高電流PCBにも慎重な熱管理が必要です。ほとんどのアプリケーションでは、内部温度をFR4ラミネートのガラス転移温度である130℃未満に保つ必要があります。部品配置の最適化は有効ですが、熱の最小化はそれだけでは不十分です。
自然対流冷却は、小型の民生用電子機器のPCBには十分かもしれませんが、高出力アプリケーションには不十分な場合があります。機械式ラジエーターが必要になる場合もあります。MOSFETの周囲にファンや液冷システムなどの能動冷却も有効です。ただし、デバイス設計によっては、従来のラジエーターや能動冷却を設置できるほどの大きさがない場合があります。
小型ながらも高性能なPCBの場合、放熱孔は有効な代替手段となります。高伝導性の金属に複数の穴を開けることで、MOSFETなどの部品から発生する熱が、より敏感な領域に到達する前に除去することができます。
4.適切な材料を使用する
熱管理を最適化し、部品がより高い電流に耐えられるようにするには、材料の選択が非常に重要です。これはPCB部品と基板にも当てはまります。
FR4は最も一般的な基板ですが、高電流PCB設計には必ずしも最適な選択肢ではありません。金属コアPCBは、FR4などの基板の絶縁性とコスト効率、そして高導電性金属の強度と温度変位特性をバランスよく備えているため、理想的です。また、一部のメーカーでは特殊な耐熱ラミネートを製造しており、ご検討いただくことも可能です。
繰り返しになりますが、熱抵抗値の高い部品のみを使用する必要があります。これは、場合によってはより耐熱性の高い材料を選択することを意味する場合もあれば、同じ材料でもより厚い部品を使用することを意味する場合もあります。どちらの選択肢が最適かは、PCBのサイズ、予算、そして利用可能なサプライヤーによって異なります。
5.品質管理プロセスの改善
高電流PCBの信頼性は、製造工程における欠陥の発見にも大きく左右されます。製造工程において、その利点を相殺する欠陥を発見・対処できない場合、上記の4つの設計上の選択肢は大きな改善効果をもたらさないでしょう。試作段階におけるより信頼性の高い品質検査も重要です。
PCBの品質評価には、適切なツールを用いることが、この分野における最も重要な考慮事項の一つです。テンプレートやカバーとしてデジタル光学コンパレータを使用することで、従来の方法よりも優れた性能が得られます。これは、コンパレータが経年変化によって伸びたり歪んだりして信頼性が低下するためです。また、人為的ミスのリスクを最小限に抑えるために、自動化が容易なツールも検討する必要があります。
使用する具体的な方法や技術に関わらず、すべての欠陥を追跡することは非常に重要です。時間の経過とともに、このデータから問題発生の傾向が明らかになり、より信頼性の高いPCB設計変更が可能になります。
6.製造性設計
高電流PCB設計において、同様に見落とされがちな要素として、製造の容易さの確保があります。製造上のミスが多発し、デバイスが仕様書上の仕様を満たすことがほとんどない場合、PCBの理論上の信頼性がどれほど高くても意味がありません。
解決策は、過度に複雑で入り組んだ設計を可能な限り避けることです。高電流PCBを設計する際には、製造プロセスを念頭に置き、ワークフローでどのように製造されるか、そしてどのような問題が発生する可能性があるかを検討してください。エラーのない製品を簡単に製造できるほど、製品の信頼性は高まります。
このステップでは、製造関係者との緊密な連携が不可欠です。社内で製造を行っていない場合は、設計段階から製造パートナーを関与させ、製造上の潜在的な問題について意見を聞きましょう。
7.テクノロジーを活用する
新しい計画・製造技術により、これらの考慮事項のバランスをとることが容易になります。3Dプリントは設計の柔軟性を高め、製造エラーを起こすことなく、より複雑なPCBレイアウトに対応できます。また、その精度により、銅配線を直角ではなく曲線にすることで、配線長を短縮し、消費電力を最小限に抑えることも可能になります。
人工知能（AI）も調査する価値のある技術です。AI PCBツールは、部品の自動配置や潜在的な設計上の問題点の指摘を行い、実世界でのエラー発生を未然に防ぎます。同様のソリューションでは、様々なテスト環境をシミュレートし、物理的なプロトタイプを作成する前にPCBの性能を評価することができます。
高電流PCB設計には注意が必要
信頼性の高い高電流PCBの設計は簡単ではありませんが、不可能ではありません。以下の7つのステップに従うことで、設計プロセスを最適化し、より効率的な高出力デバイスを開発できます。
産業用IoT（IIoT）が成長するにつれて、これらの考慮事項はさらに重要になります。今これらを受け入れることが、将来の継続的な成功の鍵となるでしょう。