FR4：いつ使用できるのか、いつ使用できないのか

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FR4基板材料とは何ですか？

FR-4はPCBでどのように使用されていますか？

FR4の厚さを選択する方法

FR4を使用する場合

温度管理

選択：FR4と高周波ラミネート

プリント回路基板に関係するほとんどの電気技師および個人は、FR4の材料に精通しています。 FR4は、ほとんどの剛性回路基板が構築されるバックボーン材料です。ただし、FR4が最も人気のあるPCBベースである理由は言うまでもなく、多くの人がFR4が何であるかを認識していません。

FR4プリント回路基板の詳細、人気の理由、FR4 PCB仕様と業界内の他のオプションとの比較など、詳細をご覧ください。

FR4基板材料とは何ですか？

FR-4とも呼ばれるFR4は、名前であり、標準の定格でもあります。この名前は、プリント回路基板の製造に使用されるガラス繊維強化エポキシラミネートシートに付けられています。ただし、この名前は、エポキシラミネートシートの評価に使用されるグレードとしても機能します。この指定は、基本的にラミネートシートの基本品質を示します。つまり、さまざまなシート材料とデザインがFR4定格に該当します。名前の「FR」は難燃剤を表し、4は同じクラスの他の材料と区別します。

広くFR4と呼ばれる材料は複合構造です。材料の最も基本的な層は、薄い布のようなシートに織り込まれたグラスファイバーです。ガラス繊維はFR4に必要な構造的安定性を与えます。次に、この最も内側のグラスファイバー層は、難燃性エポキシ樹脂で囲まれ、結合されます。この樹脂は、他の物理的特性の中でも、材料に剛性を与えるものです。

FR4シートは、PCBベース材料として電気技師や設計者の間で広く人気があります。材料の低コストと汎用性、および有益な物理的特性の豊富さは、その人気を説明しています。 FR4シートは絶縁耐力の高い電気絶縁体です。それらはまた、高い強度対重量比を特徴とし、軽量で湿気に強い。これを相対的な耐熱性に加えると、FR4材料はほとんどの環境条件で良好に機能します。

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FR-4はPCBでどのように使用されていますか？

これらの品質により、FR4は高品質のPCB製造プロセスにとって理想的なデフォルトの基板材料になっています。これらの特性を適切に使用すると、高品質で低コストのPCBの基盤を形成することもできます。

PCB内では、FR4が主要な絶縁バックボーンを形成します。これは、製造会社が回路を構築するための基盤です。準備ができたら、FR4ボードは熱と接着剤を使用して銅箔の1つまたは複数の層でラミネートされます。この銅は完成品の回路を形成し、ボードの設計に応じて片面または両面を覆う場合があります。

複雑なPCBは、回路基板を複数の面で使用したり、層状にして、より高度な回路を作成したりする場合があります。ここから、回路が描画され、はんだマスク層で覆われる前にエッチングされ、最終的なシルクスクリーン層とそれに続くはんだ付けプロセスのためにボードが準備されます。

FR4の厚さを選択する方法

PCBプロジェクト用のラミネートボードを注文する場合、設計者または電気技師はFR4の厚さを指定する必要があります。これは、設定に最も適しているかどうかに応じて、1000分の1インチ、または千、またはミリメートルなどのインチベースの単位で測定されます。 FR4のシートの厚さは、プロジェクトのニーズに応じて大きく異なりますが、1万から3インチの範囲になる傾向があります。

ボードの厚さはPCBの設計において重要な要素のようには見えないかもしれませんが、実際には、それは重要な機能です。ボードの厚さは、ボードの機能のいくつかの側面に影響を与えます。そのため、設計用のボードの厚さを決定する際にいくつかの要因が考慮されます。これらには以下が含まれます。

1。スペース：薄い方が良いかもしれません

スペースが設計者に関係する場合は、より薄いFR4ボードが望ましい傾向があります。これは、USBコネクタや多くのBluetoothアクセサリなどの小型デバイスの製造における主要な要因です。大規模なプロジェクトの場合でも、デバイス内のスペースを節約するために、小さいFR4PCBが好まれる傾向があります。

2。接続：間違ったものは損傷をもたらす可能性があります

両面PCB設計では、両面を結合するためのエッジコネクタが必要です。 PCBエッジコネクタは特定のPCBの厚さのセットにしか適合しないため、これはPCBの最終的なサイズの主な制限要因になる可能性があります。コネクタの嵌合部分は、PCBの側面にぴったりとはまる必要があります。そうしないと、PCBが滑ったり損傷したりする危険があります。これが、回路の材料を選択する前に回路設計を行う主な理由の1つです。

3。インピーダンス整合：ボード機能の維持に不可欠

すべての多層基板は、隣接する層のコンデンサとして機能します。これが、このボードの厚さが非常に重要である理由です。PCBFR4材料の厚さが誘電体の厚さを決定し、それが静電容量の値に影響します。

これは、RFやマイクロ波設計などの一部の高周波PCBにとって特に重要な要素です。高周波設計では、最適なボード機能を維持するために不可欠なコンポーネントとしてインピーダンス整合に重点が置かれているため、各層に適切な容量を確保することが重要です。

4。柔軟性：アプリケーションによって異なります

より薄いボードは、ある程度の容量で曲がることができます。珍しい特徴ですが、柔軟性はアプリケーションに応じてプラスまたはマイナスの機能になります。

製品に定期的に応力がかかったり曲がったりする一部のアプリケーションでは、より柔軟なボードが望ましい傾向があります。たとえば、医療や自動車の用途にボードを使用している人は、これらのPCBが頻繁に受ける一定の応力と屈曲のために、柔軟なボードを好むことがよくあります。

ただし、柔軟性はPCB製造プロセスに悪影響を与える可能性があり、組み立ての後半で深刻な問題が発生する可能性があります。機械で取り扱う場合、はんだ付け機で取り扱う場合、より柔軟なボードが曲がり、コンポーネントが斜めにはんだ付けされる可能性があります。さらに、この屈曲により、すでにボード上に配置されたばかりのコンポーネントや接続が破損する可能性があります。

5。設計要件：使用目的はFR4の厚さに影響します

シンボードはすべての場合に好ましいわけではありません。これは主に、シンボードがPCBプランに課す制限のためです。薄いFR4ボードは、溝をうまく機能させることができず、破損のリスクを冒さずに大きすぎることはできません。ただし、より厚いボードは両方を実現できます。 FR4の厚さの間でオプションを計量するときは、常にこれを考慮してください。

6。コンポーネントの互換性：狭い範囲で機能する可能性があります

ボードの厚さも、コンポーネントとボードの互換性に影響を与える可能性があります。エッジコネクタと同様に、多くのコンポーネントは狭い範囲のボード厚で動作します。これは、たとえば一部のスルーホールコンポーネントに特に当てはまります。

7。重量：軽い製品の方が魅力的かもしれません

FR4の厚さは、論理的には最終的なPCBの重量に影響します。一部のアプリケーションでは重量はそれほど問題になりませんが、家電製品では重量が考慮されることがよくあります。より軽いPCBはより軽い製品になり、出荷がより安くなり、場合によっては消費者にとってより魅力的になります。

FR4を使用する場合

多くの電子機器アプリケーションは、エポキシベースのFR4ボードを使用することを選択します。それらの強度、信頼性、および比較的低コストにより、FR4エポキシ基板は電子工学エンジニアにとって論理的なデフォルトの選択肢となっています。ただし、FR4はすべての状況、特に高周波設計に最適というわけではありません。これらの設計では、高周波ラミネートがより一般的な選択肢になる傾向があります。

これらの資料から選択するのは難しい場合があります。そのため、以下に詳細なガイドラインを示します。

FR-4または高周波ラミネートのどちらでPCBを構築するかを決定するときは、それぞれの次の主要な機能を考慮してください。

コスト：FR4の方が安くなります

FR4材料は、主に比較的低コストであるため、非常に一般的なPCBベースです。一方、高周波ラミネートは価格がかなり高く、これはコストに関心のある設計者や製造業者にとって重大な欠点です。これは、FR4と高周波ラミネートのどちらかを選択する際の企業の主な制限要因です。

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信号損失：Dfが低いほど信号損失が低くなります

多くの場合、信号損失はPCB設計の重要な部分であり、特に信号損失がより問題となる高周波の状況では重要です。これらの設計では、FR4は理想的な選択肢ではありません。FR4は高周波ラミネートよりも高いDfまたは誘電正接を持っています。これは、FR4回路は、高周波ラミネート上の同一の回路よりも多くの信号損失を受けることを意味します。

FR4のDfは約0.020ですが、ほとんどの高周波ラミネートのDfは約0.004で、FR4のDfの4分の1です。 Dfが低いほど、全体的な信号損失は少なくなります。もう1つの問題は、信号の周波数が高くなるとFR4のDfが高くなることです。つまり、信号の周波数が高くなると、信号損失が大きくなります。高周波ラミネートはより安定したDf特性を備えているため、高周波での損失が少なくなります。

インピーダンスの安定性：Dkの安定性が重要

安定したインピーダンスは、多くの設計にとってもう1つの重要な要素です。これは、特に大規模な回路や高周波設計では、より予測可能なパフォーマンスを意味することが多いためです。この分野でも、FR4と高周波ラミネートは異なる結果をもたらします。安定したインピーダンスを維持するには、材料の温度が変化しても、材料全体で安定したDkまたは誘電率を維持する必要があります。

この点で、FR4は、そのDk値が単一のボード内で大きく変化し、ボードの温度が変化するため、安定したインピーダンスを維持するのに適した材料ではありません。高周波ラミネートのDk値はそれほど大きく変化せず、温度が変化してもボードの領域全体でかなり一定に保たれます。

温度管理：

温度性能は、PCBベースにFR4ボードまたは高周波ラミネートのどちらかを選択する際に考慮すべきもう1つの要素です。温度性能を比較する場合、誘電率の熱係数はまともなゲージを提供します。この数値は、材料の誘電率が温度によってどの程度変化するかを測定します。

• FR4の場合、この値は摂氏温度変化1度あたり約200ppmになります
• 高周波ラミネートは、摂氏1度あたり約40ppmの誘電率の熱係数を備えています。

どちらも少数のように見えるかもしれませんが、結果は大きく異なります。 FR4の有意な係数は、FR4ボードのDkがその領域全体で大幅に異なる可能性があることを意味します。比較すると、高周波ラミネートの係数が低いということは、ボードの領域全体の温度変化が少ないことを示しています。これは、より高温の環境向けのボードを設計する際に考慮することが特に重要です。

誘電率：適切なDk値を選択

回路基板の誘電率は、基板の他の機能と同じくらい重要な場合があります。回路基板の誘電体定数は、特にRFやマイクロ波設計のような高周波回路では、回路の伝送線路のサイズに影響を与えます。伝送線路が小さいほど、回路自体も小さくなります。

したがって、回路基板のサイズを小さくすることが望ましい場合は、Dk値が高い基板材料が最適です。 FR4の誘電率は約4.5で、高周波材料のDk（通常は約6.15〜11）よりも低くなっています。これらの高価値のDk材料を使用すると、大きな結果が得られ、サイズが25％以上削減されます。最終回路基板。

運用環境：

回路の動作環境は、FR4と高周波ラミネートボードのどちらかを選択する際に留意すべきもう1つのことです。これには、湿気や温度などの環境条件が含まれます。どちらの場合も、高周波ラミネートはFR4よりも耐湿性と耐熱性が高いため、動作環境が回路の機能に与える影響が大幅に少なくなります。 PCBが屋外または極端な産業環境で動作する場合、これは重要な考慮事項です。

つまり、高周波ラミネートは幅広い物理的特性を備えており、その多くはFR4よりも優れています。高周波ラミネートがFR4に勝る唯一の欠点は、コストが比較的高いことです。これは、コスト重視の設計者にとって重要な要素です。したがって、大きな決定は、利点が高周波ラミネートのコストを上回る場合です。

選択：FR4と高周波ラミネート

それでは、上記のすべての情報を使用して、電気技師またはPCB設計者は、FR4と高周波ラミネートのどちらかをどのように選択できますか？まず、設計者は、可能な限り最も具体的なパラメータを使用して、最終的なPCBの電気的および機械的要件をリストして比較する必要があります。次に、設計者は、高周波信号を処理するように設計されたラミネートと比較して、FR4がこれらのパラメータをどの程度満たすかを調べる必要があります。上記の各ポイントのより正確なデータは、業界のデータシートを使用して簡単に入手できます。

要するに、FR4は広く関連性のある材料であり、主にその低コストと比較的機械的および電気的安定性で人気があります。 FR4材料にはさまざまな利点があり、さまざまな厚さとサイズで利用できますが、すべてのアプリケーション、特にRFやマイクロ波設計などの高周波アプリケーションに最適な選択ではありません。これらの後者の場合、高周波ラミネートがより良い選択です。それでも、FR4が今日でもそのように一般的に使用されている理由は簡単にわかります。

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