金属基板の実装時の主な注意点｜アルミ基板・銅基板の放熱・絶縁・はんだ付け不良を防ぐポイント

金金属基板の実装時の主な注意点｜アルミ基板・銅基板の放熱・絶縁・はんだ付け不良を防ぐポイント

はじめに

LED照明機器やパワーデバイス、車載・産業用機器など、発熱を伴う製品では、アルミや銅をベースとした金属基板が多く採用されています。
金属基板は放熱性に優れる一方で、通常のFR-4基板とは性質が異なるため、実装工程での扱い方を誤ると不良が発生しやすいのが特徴です。

この記事では、アロー産業が現場で蓄積した経験をもとに、アルミ基板・銅基板に共通する実装時の注意点 を整理します。

1. 金属基板の構造を理解する

まず、金属基板（メタルベースPCB）は以下のような構造になっています：

表面銅箔層：電子回路を形成する導体パターン
絶縁層（介在層）：放熱性を保ちながら電気的に絶縁する層
金属ベース：主にアルミまたは銅。放熱を担う

弊社で扱う金属基板用の絶縁層の厚みは一般的に80～120μm程度で選定しており、熱伝導率と絶縁耐圧のバランスが重要です。
過度な加熱や力が加わると、絶縁層の破壊や剥離につながります。

2. 実装時の主な注意点

（1）予熱とリフロー温度の管理

金属ベースは熱容量が大きく、一般基板よりも加熱・冷却に時間がかかります。
通常のリフロー条件をそのまま適用すると、はんだが十分に溶融しなかったり、温度差による反りが発生することがあります。

推奨対応：

プリヒート時間を長めに設定（+30〜60秒）
ピーク温度は250〜260℃程度を目安に制御
急冷を避け、自然冷却に近いプロファイルを取る

（2）絶縁層の熱ストレス破壊

アルミや銅ベースは熱伝導が高く、局部的な加熱では温度が均一になりにくい傾向があります。
その結果、はんだ付け中に絶縁層が熱膨張差で破壊されるケースがあります。

対応策：

スルーホールやVIAを設計段階で避ける
長時間の高温保持を避ける
放熱パッド面積を均一化して局部加熱を避ける

（3）基板反りと固定治具

リフロー中の温度差によって、金属基板がわずかに反ることがあります。
これが原因でBGA・QFNなどのピン下にオープン不良が発生する場合があります。

対策：

リフロー治具で基板を固定する
両面実装は軽実装側から行う
大判基板ではスリット追加で応力分散を図る

（4）表面処理の選定

金属基板では、表面処理の選択が実装品質に直結します。

結論から言うと：
共晶はんだレベラー（HASL）／鉛フリーHASLは金属基板とは相性が悪いです。
理由は主に次の2点です。

① HASLの高温工程で反り・ねじれが発生しやすい

はんだ槽は約250～270℃という高温。
金属基板は「銅箔／絶縁層／金属ベース」で構成され、各層で熱膨張率が異なります。
これに強い熱負荷を与えると：

絶縁層の膨張差で破壊
ベースメタルと銅箔の熱膨張差で反り・ねじれ
パターン浮きやレジスト剥離

などの問題が発生しやすくなります。

② ベース金属に不要なはんだが付着し、放熱性能が落ちる

特に銅ベース基板では顕著です。
はんだ槽に浸けると、基板外周のベース金属にもはんだが乗り、 放熱性を阻害する“はんだ皮膜”が形成されてしまいます。

結果：

熱拡散が悪化
設計した放熱パスが崩れる
温度上昇が大きくなる

これは金属基板としては致命的です。

▶ 推奨処理：水溶性プリフラックス

金属基板に最も相性が良いのは水溶性プリフラックスです。
理由：

高温槽に入れないので反りが出にくい
ベース金属に余計なはんだが付着しない
表面が平滑で実装が安定
LED・放熱基板用途で実績豊富

金属基板メーカーの多くが標準推奨としています。

（5）絶縁距離とクリアランス

高電圧を扱う回路では、金属ベースとの絶縁破壊に特に注意が必要です。
放熱パッド直下が金属ベースに近い場合は、最低0.3mm以上の絶縁層厚みが必要です。

3. 実装不良の代表例と対策

不良内容	原因	対策
はんだボイド	放熱面のガス抜け不足	プリベーク・真空リフローを検討
レジスト剥がれ	温度ストレス・加熱ムラ	硬化条件見直し
絶縁破壊	過熱・放熱集中	絶縁層強化・パッド形状調整
部品浮き	反り・冷却ムラ	治具固定とプロファイル最適化

まとめ

金属基板は放熱性に優れていますが、反り・絶縁破壊・はんだボイドなど、実装時のリスクも多い材料です。
特に表面処理は水溶性プリフラックスが最も安定し、逆にHASLは適さない点は押さえておくべき重要ポイントです。

適切な実装条件・設計配慮を行うことで、金属基板の性能を最大限に引き出すことができます。

アロー産業では、基板の用途や特性に応じて、最適な実装工場を選定できる幅広いパートナー体制を整えています。
金属（アルミ・銅ベース）基板・厚銅基板・多層基板・LED基板など、それぞれ得意分野の異なる協力工場と連携することで、
製品仕様に最も適した実装方法をご提案し、高い品質と安定した仕上がりを実現します。