適切なPCB材料の選び方：包括的ガイド

ジャンプ先：

• 熱的特性
• 電気的特性
• 電力と熱がPCB材料選定に与える影響
• フレックスとリジッドフレックス基板
• Millennium Circuits LimitedからPCBを購入

すべてのPCB材料タイプにおいて、目的は電気を伝導し、銅の導電層間の絶縁を提供することです。FR-4はこのカテゴリで最も広く使用されている材料です。しかし、あなたの基板のニーズは、さまざまなPCB材料特性に必然的に依存します。以下のPCB材料選定ガイドを読んで、PCB材料タイプの熱的、電気的、化学的、機械的特性で何を見るべきかを学んでください。

PCB材料オプション、分類、基板特性の考慮事項

熱的特性

• ガラス転移温度（Tg）： PCB基板は、一定の閾値以上の温度にさらされると軟化します。熱から取り除かれると、基板は自然な状態に戻って硬化します。この変換が基板に適用できる範囲をガラス転移温度（Tg）と呼び、摂氏度で表されます。
• 分解温度（Td）： 一定の閾値を超える温度にさらされると、PCB基板は分解します。この過程で、PCBは全体質量の5%以上を失います。このプロセスが発生する温度範囲を分解温度（Td）と呼び、摂氏度で表されます。Tg変換の効果は材料がガラス転移温度から取り除かれると自己逆転しますが、分解温度が基板に与える影響は永久的です。したがって、作業環境の温度範囲を処理できるPCB材料を使用するのが最善です。PCB基板をはんだ付けするのに必要な温度は一般的に200℃〜250℃の間です。理想的には、Tgはその範囲より下で、Tdはそれより上であるべきです。
• 熱膨張係数（CTE）： PCBの膨張率をCTEと呼びます。基板がTgを超える温度にさらされると、材料はCTEの上昇も経験します。これはppm（parts per million）で測定されます。基板は一般的に銅層よりも高いCTEを持ちます。この差異は、熱が加わったときに相互接続の問題の原因となることがあります。PCB材料周りの織りガラスの制約により、CTEは通常X軸とY軸で10〜20ppmの範囲です。温度がTg閾値を超えても、CTEは同じままです。材料がこの方向に膨張するため、Z軸でのCTEは最小限に抑えるべきです。安全側に立つなら、70ppm以下のCTEが推奨されます。

• 熱伝導率（k）： PCBの熱伝導特性を熱伝導率（k）と呼びます。材料の熱伝導率は、PCBが熱を伝達する能力と直接相関します。kレベルが低ければ熱伝達レベルも低く、逆もまた然りです。熱伝導率はワット/メートル（W/M）ケルビン（K）で測定されます。多くの誘電体材料の熱伝導率範囲は0.3〜6 W/m·Kです。比較すると、銅のkレベルは386 W/M·°Cです。したがって、PCBでは銅層が誘電体よりも速く熱を伝えます。

電気的特性

• 誘電率または比誘電率（ErまたはDk）： 誘電体の電気的性能を決定する最も重要な2つの要因は、インピーダンスと信号整合性です。PCB材料の誘電率（Er）または比誘電率（Dk）は一般的に3.5〜5.5の間です。材料のErレベルは周波数に依存し、通常周波数が上昇すると低下します。Dkレベルの変化は、特定のPCB材料では他より少ないです。広範な周波数範囲で安定した誘電率を維持する材料でなければ、高周波アプリケーションには安全ではありません。

• 誘電正接または損失因子（Tan δまたはDf）： 損失正接が低い材料は、より少ない電力を失います。プリント基板に使用される材料の誘電正接（Tan δ）は一般的に0.02〜0.001の範囲です。前者はより広く使用されている材料に適用されます。しかし、後者は一般的にハイエンド材料に適用されます。Tan δも周波数とともに増加します。デジタル回路の場合、損失正接は一般的にマイナーな重要度の要因です。このルールの例外は、周波数レベルが1GHzを超えるアプリケーションです。損失正接はアナログ信号により重要です。
• 体積抵抗率（ρ）： 誘電体材料の絶縁または電気に対する抵抗を体積抵抗（ρ）と呼びます。高い抵抗率のPCB材料は、電荷を促進しにくいです。オームメートル（Ω·m）およびオームセンチメートル（Ω·cm）が、与えられた誘電体の抵抗率を測定するために使用されます。すべての誘電体絶縁体と同様に、プリント基板の材料は高い抵抗率を持たなければなりません。好ましくは10³〜10¹⁰ MΩ·cmの範囲です。熱、冷気、湿気などの外部要因が材料の抵抗率に影響を与える可能性があります。
• 表面抵抗率（ρS）： 誘電体材料の表面における絶縁と電気に対する抵抗を表面抵抗率（ρS）と呼びます。材料のρレベルと同様に、ρSも高くなければなりません。好ましくは10³〜10⁹ MΩ/□の範囲です。ρと同様に、材料のρSレベルは温度極限と湿気の影響を受ける可能性があります。
• 電気強度： プリント基板のZ方向において、誘電体材料が電気的破壊に耐える能力を電気強度と呼び、ボルト/ミルで測定されます。ほとんどのPCB材料は800〜1500 V/milの電気強度を持っています。

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電力と熱がPCB材料選定に与える影響

化学的特性

• 難燃性仕様（UL94）： プラスチックの難燃性特性（プラスチック可燃性としても知られる）は、デバイスと器具の部品におけるプラスチック材料の可燃性安全規格（UL94）において、最高から最低へランク付けされます。PCB材料のUL94要件では、試験片が炎を伴う燃焼で10秒以上燃焼しないこと。5試験片のセットでは、合計で炎を伴う燃焼で50秒以上燃焼しないこと。
• 吸湿性： 液体に浸漬されたとき、誘電体材料がこの種の暴露に耐える能力を吸湿性と呼びます。大多数のPCB材料は、0.01%〜0.20%の間の吸湿性値を持っています。誘電体の電気的および熱的特性は、材料の吸湿性の両方に影響されます。
• 塩化メチレン耐性： PCB材料の化学抵抗性を塩化メチレン耐性（MCR）と呼び、これは誘電体の塩化メチレン吸収に対する抵抗を最も直接的に測定します。誘電体はしばしば0.01%〜0.20%の間のMCRを持っています。

フレックスとリジッドフレックス基板

機械的特性

• 剥離強度： プリント基板における誘電体と銅層の接着能力を剥離強度と呼びます。PCB製造段階では、剥離強度は以下の3条件下で1オンス厚の銅トレースでテストされます：熱ストレス後、高温時、化学暴露後。
• 曲げ強度： 誘電体材料が破損せずに物理的ストレスに耐える能力を曲げ強度と呼び、kg/m²またはpsiで測定されます。プリント基板の曲げ強度をテストするには、両端のみを支持して中央に力を加えます。誘電体強度は引張弾性率でも測定され、PCB材料の応力/ひずみ比と各方向での保持力を決定します。引張弾性率はヤング率とも呼ばれ、一部の製造業者ではPCBのストレス耐性の尺度として曲げ強度の代わりに使用されます。
• 密度： 誘電体材料の密度はg/cm³で測定されます。または、PCB密度はlb/in³でも測定できます。
• 剥離までの時間： 誘電体材料が剥離原因となる影響に耐える期間を「剥離までの時間」と呼び、一定の閾値を超える温度にさらされたとき、PCBの層が互いに剥がれるまでにかかる時間を決定します。PCB材料（ラミネートまたはガラス繊維）は、熱衝撃や湿気にさらされても剥離する可能性があります。

フレックスとリジッドフレックス基板についてさらに読む

HDI考慮事項のための材料

低品質銅箔や誘電体などの要因は、PCBのメカニズムに影響を与える可能性があります。適切な誘電体材料の選択により、回路基板から不良信号が出力されるのを防止できます。

誘電体の分子的性質は、システムを損失に対して脆弱にする可能性があります。信号が生成されるたびに、分子内の磁場が振動します。この効果は信号周波数の高さによって決まります。振動が発生すると、エネルギーは熱になり、結果としてシステム内で失われます。

銅導体もシステム内の損失の原因となり得ます。電子が導体の中心から外れると、周波数が上昇します。例えば、ニッケル仕上げ銅導体では、電流のかなりの量が銅ではなくニッケルを流れるため、損失が顕著になります。完全な銅で構成される導体でも、微細なリッジが存在すると、電流が上下に送られて抵抗が発生するため、損失が生じる可能性があります。

HDI基板についてさらに読む

どの機能を選択できるか

システムの損失を防ぐには、以下の両カテゴリのオプションをチェックし、高周波に最適な材料を選択していることを確認してください：

• 基板： エポキシやガラス繊維など、さまざまな材料がプリント基板の基板に含まれます。高周波回路を生成するには、基板は低誘電率でなければなりません。
• 箔： 銅に適用できるいくつかの異なるタイプの箔があります。抵抗を最も確実に最小化できる銅を選択してください。

低品質でミスマッチな基板と箔はコストのかかる損失を招く可能性がありますが、正しい選択は長持ちするPCB性能を得るのに役立ちます。

ベストプラクティスとさらなる考慮事項

高周波アプリケーション向けの最適な基板と箔を選択するには、特定の実践を念頭に置く必要があります：

• 誘電率を一致させる： プリント基板上では、異なる誘電率のDk同士を一致させる必要があります。Dkが矛盾すると、問題が発生する可能性が高いです。ミスマッチDkの例は、樹脂と織り層の組み合わせです。
• 熱膨張係数（CTE）を一致させる： 温度に関連する基板特性の中で、CTEが最も重要です。Dkと同様に、2つの基板間のCTEは一致しなければなりません。そうでないと、2つの基板が異なる速度と一貫性で膨張する可能性があります。製造プロセス中、異なるCTEは欠陥を引き起こす可能性があります。PCB使用時、衝突するCTEはDkに影響を与える可能性があります。
• 基板織りを密にする： 材料とメッシュが適切に相互作用するには、基板は密に織られていなければなりません。そうでないと、Dkが悪影響を受けます。
• FR-4を使用しない： 低コストのため、FR-4は一般的な選択です。しかし、高周波を生成する回路には、FR-4は不適切な材料です。
• 滑らかな箔のみを使用する： 最高周波数での損失を軽減するには、滑らかな銅箔を使用してください。
• 導電性箔を使用する： 不良導体は回路に減衰効果をもたらす可能性があります。これが起こらないように、正しい導電性箔のみを使用してください。

PCBにおいて、性能はすべて品質にかかっており、高品質でよくマッチした部品でのみ保証できます。カタログを見てどのPCBがあなたのニーズに最適か検討する際、以下の考慮事項も念頭に置いてください：

• コスト： 良質な基板は大きな投資になる可能性があります。事実は、プリント基板に関しては、払った金額分の価値を得られるということです。適切に投資する気がない場合、部品が故障することで将来的に 훨씬 多くを失うことになります。

• 製造欠陥： 高周波で動作するように設計された材料では、常に潜在的な欠陥を二重チェックするのが賢明です。PTFEやその他特定の材料では欠陥が一般的です。

適切な材料を選択し、適切な金額を投資し、製造欠陥をチェックすれば、プリント基板から損失なしで長年の性能を得られる可能性が高まります。

Millennium Circuits LimitedからPCBを購入

Millennium Circuits Limited（MCL）では、最高水準のプリント基板を提供しています。当社が提供する各PCBは、競争力のある価格で完璧に設計されています。ペンシルベニア州の主要PCBサプライヤーとして、MCLでの使命は、あらゆる規模の注文量に最高のサービスを提供することです。

ペンシルベニア州ハリスバーグの地下室でのささやかな始まりから現在の広々とした本社まで、世界中の数百のお客様に専門的に製造されたPCBでリーチしてきました。今日、私たちはローカルとオフショアの両方でPCBを提供しており、お客様がMCLをPCBソースとして選択する際により多くの柔軟性を提供します。

「中央ペンシルベニアで最も急成長しているトップ50社」に3年連続で選出された後、MCLは2015年に州のトップ250社にランクインしました。わずか10年前に、最終的にプリント基板の主要サプライヤーに成長する意図で始まった会社としては驚異的な進歩です。98%の「優秀」品質評価と99%のオンタイム納品記録で、MCLのチームは最高のカスタマーサービスを提供できます。当社のPCBについて詳しく知りたい場合は、製品とサービスのページをご覧になり、今日ご連絡いただいて担当者とつながってください。

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