多層PCBが層間の耐電圧問題を解決する方法

高電圧電子デバイス（産業用電源から医療用画像診断装置まで）において、多層PCBは重要な課題に直面しています。それは、層間の信頼性の高い絶縁を確保し、電気的破壊を防ぐことです。絶縁すべき層が少ない単層または二層PCBとは異なり、多層PCBは3層以上の銅層を重ねており、電圧漏れやアーク放電の潜在的なポイントが複数存在します。しかし、高度な誘電体材料、精密な設計、厳格な製造を通じて、多層PCBは耐電圧の問題を解決するだけでなく、優れた性能と耐久性も提供します。このガイドでは、多層PCBが材料選択から試験まで、層間の電圧課題にどのように対処しているか、そしてLT CIRCUITのようなパートナーが安全で高電圧設計に不可欠である理由を解説します。

主なポイント
1.誘電体材料が基本: FR-4（エポキシ+ガラス繊維）やナノ粒子強化誘電体などの高品質材料は、電圧漏れを遮断し、厚さ1ミルあたり200～500Vに耐えます。
2.精密な絶縁制御: 絶縁厚さ（IPCクラス3では2.56ミル以上）と層間隔（ドリルから銅までのクリアランスは8ミル以上）は、アーク放電や短絡を防ぎます。
3.スタックアップ設計が重要: 層の均等な積み重ね、専用のグランド/電源プレーン、分離された信号層は、電圧ストレスとノイズを低減します。
4.厳格な試験は必須: マイクロセクション、熱サイクル、表面絶縁抵抗（SIR）試験により、故障の原因となる弱点を事前に検出します。
5.製造精度: 制御されたラミネーション（170～180℃、200～400 PSI）と酸化処理により、強力な層間結合と一貫した絶縁が確保されます。

多層PCBにとって耐電圧が重要な理由
耐電圧（誘電耐電圧とも呼ばれます）とは、PCBが電気的破壊なしに扱える最大電圧のことです。電気的破壊とは、層間で電流が漏れ、短絡、アーク放電、さらには火災を引き起こすことです。多層PCBの場合、この課題は以下のように増幅されます。

1.層が多いほど絶縁ポイントが増える: 各銅層ペアは信頼性の高い絶縁を必要とし、いずれかの層が損傷した場合に故障のリスクが増加します。
2.高電圧用途には厳格さが求められる: 産業用制御（480V）、医療機器（230V）、自動車システム（400V EVバッテリー）は、一定の電圧ストレスに耐えるPCBを必要とします。
3.環境要因がリスクを悪化させる: 湿気、熱、振動は時間の経過とともに絶縁を劣化させ、耐電圧を低下させ、デバイスの寿命を短くする可能性があります。

単一の絶縁故障は壊滅的な結果をもたらす可能性があります。たとえば、EVバッテリーPCBの短絡は熱暴走を引き起こす可能性があり、医療用MRI PCBの漏れは患者ケアを中断する可能性があります。多層PCBは、ターゲットを絞った設計と製造を通じて、これらのリスクを解決します。

多層PCBが層間の耐電圧問題を解決する方法
多層PCBは、高性能誘電体材料、精密な絶縁設計、制御された製造プロセスの3つの主要な戦略を通じて耐電圧に対処します。以下に、各アプローチの詳細な内訳を示します。

1. 誘電体材料: 最初の防御線
誘電体材料（絶縁体）は銅層を分離し、電圧漏れを遮断します。材料の選択は耐電圧に直接影響し、誘電強度（単位厚さあたりの電圧）や耐湿性などの特性が重要です。

高電圧用一般的な誘電体材料

LT CIRCUITの材料選択が優れている理由
LT CIRCUITは、電圧ニーズに合わせて調整されたプレミアム誘電体材料を使用しています。
 a.一般的な高電圧設計の場合: IPC-4101規格に準拠して試験された、誘電強度が400V/mil以上のFR-4。
 b.極端な条件下の場合: ナノ粒子強化FR-4またはPTFEを使用し、最大700V/milの耐電圧を確保。
 c.医療/自動車用途の場合: 時間の経過に伴う絶縁劣化を防ぐために、低吸湿性（<0.1%）の材料を使用。重要な注意点: 誘電強度は一定ではありません。より厚い材料は、より高い総電圧に耐えることができます。たとえば、5 milのFR-4（400V/mil）は2000Vに耐えることができますが、10 milは4000Vに耐えることができます。

2. 絶縁厚さ & 層間隔: アーク放電の防止

最良の誘電体材料であっても、薄すぎたり、層が近すぎたりすると故障します。多層PCBは、アーク放電（層間の電圧ジャンプ）を回避するために、正確な絶縁厚さと層間隔を使用します。
絶縁厚さのガイドライン

絶縁厚さは、PCBが直面する最大電圧によって決定され、IPC-2221などの規格に従います。
 a.最小厚さ: IPCクラス3ボード（医療/自動車などの重要な用途）の場合、2.56 mil（65μm）。
 b.電圧ベースのサイジング: 動作電圧が100Vごとに、絶縁を0.5～1 mil追加します。たとえば、1000VのPCBには、高電圧層間に10～20 milの絶縁が必要です。
 c.公差制御: LT CIRCUITは、ボードの厚さが15 mil未満の場合、±2 milの厚さ公差を維持し、PCB全体で一貫した絶縁を確保します。
層間隔: ドリルから銅への短絡の回避層間隔（銅層とビア間の距離）も同様に重要であり、特にドリル加工中（層がわずかにずれる可能性がある）に重要です。

 a.ドリルから銅までの最小クリアランス: IPC-2222に従い、8 mil（203μm）で、ドリルが銅に当たり短絡を引き起こすのを防ぎます。
 b.アンチパッド設計: LT CIRCUITは、「アンチパッド」（ビアの周囲の余分な銅フリースペース）を使用してクリアランスを9～10 milに増やし、安全バッファを追加します。
 c.層アライメント: レーザーアライメントにより、層は50μm（1.97 mil）以内に登録され、間隔が一貫して維持されます。
例: 500V産業用センサー用の4層PCBは、層間に5 milの絶縁と、ドリルから銅までのクリアランス9 milを使用しています。これにより、PCBが125℃まで加熱されてもアーク放電を防ぎます。
3. スタックアップ設計: 電圧ストレスの軽減

適切に設計された層スタックアップは、電圧を均等に分散し、絶縁へのストレスを軽減します。多層PCBは、3つの主要なスタックアップ戦略を使用します。

1. 層数の均等性と対称性
 a.層数の均等性: 4、6、または8層は、ラミネーション中の反り（熱/圧力下での対称的な膨張）を防ぎ、絶縁にひびが入る可能性があります。
 b.銅のバランスの取れた分布: 誘電体の両側で均等な銅被覆率により、電圧の集中を軽減します（不均等な銅はホットスポットを作成する可能性があります）。
2. 専用のグランド/電源プレーン
 a.シールドとしてのグランドプレーン: 信号層間の内側のグランドプレーンは、電圧ノイズを吸収し、高電圧層と低電圧層の間の障壁として機能します。

 b.電源プレーンの分離: 高電圧電源プレーン（例: 400V EV電源）は、厚い絶縁（10 mil以上）によって低電圧信号層から分離され、漏れを防ぎます。
3. 信号層の分離
 a.隣接する信号層なし: 信号層を他の信号層ではなく、グランド/電源プレーンの隣に配置することで、信号間のクロストークと電圧結合を低減します。

 b.インピーダンス制御: 外側の層のトレースは、50Ω（RF）または100Ω（差動ペア）に設計されており、絶縁にストレスを与える可能性のある信号反射を防ぎます。
LT CIRCUITのスタックアップベンチマーク（IPC規格準拠）:
設計パラメータ

公差

ラミネーション: 弱点のない層の結合
LT CIRCUITのラミネーションプロセスは、高電圧PCB向けに最適化されています。

 a.温度制御: 誘電体材料を損傷することなくエポキシを硬化させるために、170～180℃（338～356°F）。
 b.圧力: 200～400 PSI（ポンド/平方インチ）で、層間の密着を確保し、気泡（絶縁ギャップの原因となる）を排除します。
 c.真空脱気: 層間の空気を除去し、破壊につながる可能性のあるボイドを防ぎます。
 d.制御された冷却: 徐冷（1分あたり5℃）により、絶縁にひびが入る熱応力を回避します。
酸化処理: 層間結合の強化
 a.銅酸化物コーティング: ラミネーション前に、銅層を薄い酸化物層で処理し、誘電体材料への接着性を向上させます。これにより、剥離（層の分離）を防ぎ、絶縁が湿気や電圧ストレスにさらされるのを防ぎます。

 b.品質チェック: ラミネーション後、超音波検査で隠れた剥離やボイドを検出します。LT CIRCUITは、ボイド被覆率が1%を超えるボードを拒否します。
ドリル加工 & めっき: 絶縁損傷の回避
 a.レーザー掘削: マイクロビア（6～8 mil）の場合、レーザー掘削は機械掘削よりも正確であり、隣接する層を損傷するリスクを軽減します。

 b.電気めっき制御: ビアの銅めっきは25～30μmの厚さに制限されており、絶縁間隔を狭める可能性のあるめっきの蓄積を防ぎます。
試験 & 品質管理: 耐電圧の検証
厳格な試験なしに、高電圧用途に多層PCBを使用することはできません。LT CIRCUITは、絶縁の信頼性を確保するために一連の試験を使用しています。

1. 電気試験
 a.誘電耐電圧試験（DWV）: 60秒間、動作電圧の1.5倍（例: 500V PCBの場合は750V）を印加して、漏れがないか確認します。漏れ電流が100μAを超えると、絶縁不良を示します。

 b.表面絶縁抵抗（SIR）試験: 時間経過とともに銅トレース間の抵抗を測定し（10^9 MΩ以上が許容されます）、湿気と熱をシミュレートして長期的な絶縁安定性を確認します。
 c.フライングプローブ試験: ロボットプローブを使用して層間の短絡をチェックし、ドリルから銅へのエラーを検出します。
2. 物理的 & 熱的試験
 a.マイクロセクション: PCBの断面をカットし、顕微鏡下で絶縁厚さ、層アライメント、ボイドを検査します。LT CIRCUITは、95%以上の絶縁被覆率（ボイドが50μm以下）を要求しています。

 b.熱サイクル試験: PCBを-40℃から125℃の間で1,000サイクル繰り返し、現実世界の温度変化をシミュレートします。各サイクル後に絶縁抵抗を測定して、劣化がないか確認します。
 c.X線CTスキャン: PCBの3D画像を作成して、マイクロセクションでは見逃される可能性のある隠れたボイドや剥離を検出します。
3. 材料認証
 a.UL認証: 誘電体材料が難燃性（UL 94 V-0）であり、耐電圧規格を満たしていることを確認します。

 b.IPC準拠: すべてのPCBは、絶縁と層の品質についてIPC-6012（剛性PCB認定）およびIPC-A-600（許容基準）に準拠しています。
一般的な課題 & LT CIRCUITのソリューション
最良のプラクティスであっても、多層PCBは電圧関連の課題に直面します。以下に、一般的な問題とLT CIRCUITがそれらにどのように対処しているかを示します。

1. 湿気による誘電破壊
課題: 吸湿（FR-4で一般的）により、誘電強度が20～30%低下し、破壊のリスクが増加します。
ソリューション: LT CIRCUITは、低吸湿性材料（<0.1%の吸湿）とコンフォーマルコーティング（アクリルまたはシリコン）を屋外/産業用PCBに使用し、湿気の浸透をブロックします。
2. 熱応力による絶縁のひび割れ
課題: 高温（例: EVバッテリー）により、誘電体材料が膨張し、層間の絶縁にひびが入ります。ソリューション: LT CIRCUITは、熱膨張係数（CTE）の低い材料を選択します。例: FR-5（CTE: 13 ppm/℃）対標準FR-4（17 ppm/℃）であり、熱を放散するためにサーマルビアを追加します。

3. 層の剥離
課題: 不良なラミネーションまたは酸化処理により、層が分離し、絶縁が電圧ストレスにさらされます。
ソリューション: LT CIRCUITは、真空ラミネーション、酸化処理、および超音波検査を使用して、99.9%の層接着を確保します。

4. 層間の電圧クロストーク
課題: 高電圧層は、低電圧信号層にノイズを誘発し、性能を妨げる可能性があります。
ソリューション: LT CIRCUITは、高電圧層と低電圧層の間にグランドプレーンを配置し、クロストークをブロックするシールドを作成します。

FAQ
1. 1000V多層PCBの最小絶縁厚さは？
1000Vの場合、安全バッファを確保するために、10～20 milの絶縁（FR-4: 400V/mil）を使用します。LT CIRCUITは、ほとんどの1000V用途で15 milを推奨し、±2 milの公差を許容します。

2. LT CIRCUITは、隠れた絶縁ボイドをどのようにテストしますか？
LT CIRCUITは、X線CTスキャンと超音波検査を使用して、50μm未満のボイドを検出します。マイクロセクションも、層間のギャップを検査するために使用されます。
3. 多層PCBは、AC電圧とDC電圧に同じように耐えることができますか？

誘電体材料は、ACよりもDCをより良く処理します（ACは分極を引き起こし、耐電圧を低下させます）。LT CIRCUITは、AC耐電圧を20%低減します（例: 同じ絶縁の場合、400V AC対500V DC）。
4. 多層PCBの絶縁が故障した場合、どうなりますか？絶縁不良は、電流漏れを引き起こし、以下につながる可能性があります。

 a.短絡（コンポーネントの損傷）。
 b.アーク放電（火花や火災の発生）。

 c.熱暴走（EVバッテリーなどの高出力デバイス）。
5. 多層PCBの絶縁はどのくらい持続しますか？
適切な材料選択と製造により、絶縁は屋内用途で10～20年持続します。LT CIRCUITの産業/自動車用途向けPCBは、15年以上のサービスが評価されています。
結論
多層PCBは、高品質の材料、精密な設計、および厳格な製造の組み合わせを通じて、層間の耐電圧の課題を解決します。高強度な誘電体材料を選択し、絶縁厚さと層間隔を制御し、包括的な試験で検証することにより、これらのPCBは、EVから医療機器まで、高電圧用途で安全で信頼性の高い性能を提供します。

LT CIRCUITのようなパートナーは、この成功に不可欠です。材料選択、スタックアップ設計、品質管理における彼らの専門知識は、PCBが最も厳しい耐電圧規格を満たしていることを保証します。高電圧電子機器がますます一般的になるにつれて（例: 800V EV、5G基地局）、適切に設計された多層PCBの役割はますます大きくなるでしょう。
設計者やエンジニアにとって、重要なポイントは明確です。耐電圧は後回しにされるものではなく、多層PCBの設計および製造プロセスのすべてのステップに統合する必要があります。絶縁の品質を優先することで、安全で耐久性があり、最新の高電圧技術の要求に対応できるデバイスを構築できます。