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熱サイクルによるクラック抑制とは?課題と対策・製品を解説

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機械的性能における熱サイクルによるクラック抑制とは?
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機械的性能における熱サイクルによるクラック抑制
機械的性能における熱サイクルによるクラック抑制とは?
プリント基板(PCB)は、電子機器の心臓部として、温度変化に晒される過酷な環境下で使用されることがあります。熱サイクルとは、温度が繰り返し上昇・下降する現象を指し、この繰り返しにより基板材料や実装部品に応力が蓄積し、微細なクラック(亀裂)が発生するリスクが高まります。このクラックは、 電気的接続不良や機能低下、さらには機器の故障に繋がるため、その発生を抑制し、製品の信頼性を確保することが極めて重要です。本テーマでは、この熱サイクルによるクラック発生のメカニズムを理解し、その抑制策について解説します。
課題
材料間の熱膨張率不一致
基板材料、実装部品、はんだなどの熱膨張率が異なると、温度変化時に各材料が伸縮する度合いに差が生じ、界面に応力が集中しクラックが発生しやすくなります。
微細化・高密度化に伴う応力集中
電子機器の小型化・高性能化に伴い、基板上の配線や部品が微細化・高密度化しています。これにより、限られた空間に応力が集中しやすくなり、熱サイクルによるクラックのリスクが増大します。
実装プロセスの影響
はんだ付けなどの実装プロセスにおける温度管理の不備や、急激な温度変化は、基板や部品に初期的なダメージを与え、熱サイクルによるクラック発生の起点となることがあります。
設計上の考慮不足
基板レイアウトや部品配置において、熱応力を考慮した設計が行われていない場合、特定の箇所に応力が集中し、熱サイクルによるクラックが発生しやすくなります。
対策
材料選定と最適化
熱膨張率の近い材料の組み合わせを選択したり、熱応 力を緩和する特性を持つ材料を導入したりすることで、材料間の応力集中を低減します。
構造設計の改良
応力緩和構造の導入、部品配置の最適化、基板厚の調整など、熱応力が集中しにくい構造設計を採用します。
実装プロセスの厳格な管理
リフロープロファイルの最適化、急激な温度変化の回避、適切なフラックスの使用など、実装プロセス全体で品質管理を徹底します 。
シミュレーションによる事前評価
熱応力解析シミュレーションを活用し、設計段階で潜在的なクラック発生リスクを予測・評価し、設計修正に役立てます。
対策に役立つ製品例
低熱膨張率基板材料
熱サイクルによる材料間の伸縮差を小さくし、応力集中を抑制することでクラック発生リスクを低減します。
高信頼性実装用ペースト
優れた機械的強度と柔軟性を持ち、熱サイクルによる応力を吸収・緩和することで、実装部のクラックを抑制します。
応力緩和用封止材
部品や基板表面を覆うことで、外部からの応力や熱応力を分散・吸収し、クラックの発生を防ぎます。
熱応力解析ソフトウェア
設計段階で熱サイクルによる応力分布を可視 化・定量化し、問題箇所を特定して設計改善を支援します。
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