適切な PCB 材料の選択:設計基準と材料の選択

PCB 製造では、適切な基板材料を選択することが、性能、信頼性、コストにとって重要です。それぞれに異なる電気的、熱的、機械的特性を持つ膨大なオプションがあるため、慎重な評価が必要です。このガイドでは、材料の選択を決定する重要な要素について説明し、デザイナーに実践的なアドバイスを提供します。

PCB 構築の基本

最新の PCB は通常、次の 3 つのコア層から構築されます。

• 回路層 :銅線は通常 1～10 オンスで、信号と電力を伝送します。
• 絶縁層 :銅をベースから絶縁し、電気的絶縁と熱伝導性の両方を提供する誘電体
• ベースレイヤー :多くの場合、アルミニウムまたは銅被覆基板。アルミニウムは、優れた放熱性と機械的堅牢性により、高出力設計で好まれています。

ベースを選択する際には、放熱性、機械的強度、コストのバランスを考慮する必要があります。アルミニウム基板、特に厚さ 1 mm は、要求の厳しいパワー エレクトロニクスにとって優れた妥協点となります。

絶縁層

誘電体材料は、熱伝導を可能にしながらも電気伝導には抵抗します。一般的な誘電体には、磁器、雲母、ガラス、特定のプラスチック、金属酸化物などがあります。

誘電損失が低いほど、材料の効率が高くなります。

過剰な電界は絶縁破壊を引き起こし、材料が導体に変化する可能性があります。高い降伏電圧を持つ材料を選択すると、このリスクが軽減されます。

PCB 基板の基礎

PCB は通常、上部層と下部層で構成されます。基板（通常はエポキシとガラス繊維の複合材）は、基板の機械的完全性と電気的性能を決定します。

世界的な基板需要は年間 5,100 万平方メートルに達しています。

ほとんどの基板はエポキシと BT (ブチルトリフルオロエチレン) 混合物を組み合わせ、金属箔で誘電体スタックを強化して、必要なインピーダンスを実現します。

以下の表は、一般的な素材のオプションとその一般的な用途をまとめたものです。

一般的な PCB 材料クラス

3 つの主要なマテリアル ファミリが広く使用されています。

• 不織布ガラス – ガラスマイクロファイバーを樹脂に分散させたもの。高周波レイヤーに適していますが、機械的堅牢性は限られています。

• 織ガラス – 基板に織り込まれたガラスクロス。優れた機械的強度を備えていますが、多層熱管理ではパフォーマンスが低下する可能性があります。

• 満たされている – 誘電率を上げるためにセラミックまたはその他のフィラーが含まれています。精密なインピーダンス制御に最適です。

アルミニウム PCB

アルミニウム基板 (「IMS」PCB と呼ばれることが多い) には、銅層、熱伝導性樹脂、および上部の銅箔が統合されています。標準寸法は、基板厚 1.6 mm、セラミック絶縁層 100 µm、銅層 35 µm です。

バリエーション:

• 柔軟なアルミニウム
• ハイブリッド銅コア
• 多層アルミニウム
• スルーホールアルミニウム

利点としては、低コスト、軽量構造、優れた熱管理、機械的剛性、優れた EMI シールドが挙げられます。

一般的な用途 :

• 熱放散が重要な高電力スイッチングおよび LED ドライバー
• 軽量で耐久性のあるボードを必要とする自動車および RF モジュール
• 統合されたヒートシンクが必要な設計

FR‑4

FR-4 (Flame-Rentardant Grade 4 の略) は、ほとんどの PCB の業界標準となっているガラス強化エポキシ ラミネートです。

主要なプロパティ:

• 誘電率 (εr) ≈ 4.4
• 絶縁耐力 ≈ 5MV/m
• 耐電圧 ≈ 50kV
• ガラス転移温度 (Tg) ≈ 140°C

FR-4 は自己消火性があるため、古い G-10 材料に取って代わります。低周波アプリケーションと高周波アプリケーションの両方について、コスト、製造容易性、パフォーマンスのバランスをとります。

制限事項:

• 誘電率はロット間および周波数によって異なります。
• 損失正接は周波数が高くなると増加します。
• 鉛フリーのリフロー温度は熱伝導率に影響を与える可能性があります。

高電流設計の場合は、より厚い銅 (1 オンス以上) を使用してください。デフォルトのボード厚は 1.6 mm のままです。

高周波回路 (RF、マイクロ波、アンテナ) は通常、標準の FR-4 ではなく、低損失の誘電体材料を使用します。

FR-4 の一般的な利点:

• 広く入手可能で経済的
• 高ガラス転移温度（130～170 °C）
• ハロゲンフリーおよび鉛フリーに対応

FR-1、FR-2、CEM-1、CEM-3

これらの基板は、単層または二層基板の安価な代替品です。

• FR-1/FR-2 – 低Tgのフェノール紙複合材料。低周波の単層回路に最適です。
• CEM-1 – 紙ガラスエポキシ;通常、片面ボードで使用されます。
• CEM‑3 – ガラスエポキシ;両面基板で一般的。 FR-4 よりも安い。

ポリイミド

ポリイミドはフレキシブル PCB に最適な材料です。 200 ～ 300 °C の範囲で優れた電気的安定性を提供し、機械的な柔軟性を維持します。

プリプレグ

プリプレグ (事前含浸) は、部分的に硬化した樹脂で織られたグラスファイバーです。加熱すると層が結合し、機械的強度と電気絶縁性が得られます。バリエーション (SR、MR、HR) は、樹脂含有量とガラス転移温度が異なります。

適切な PCB 材料の選択

基板を選択するには、設計の熱的、電気的、機械的要求を理解する必要があります。以下は重要な基準です。

熱特性

熱伝導率 (k)

W/m・K で測定されるこの指標は、材料がどれだけ効率的に熱を放散するかを示します。一般的な誘電体の範囲は 0.3 ～ 6W/m・K です。銅は 386W/m·K に達します。

分解温度 (Td)

基材が永久に劣化する温度。 Tg をその範囲以下に保ちながらはんだ付け (200 ～ 250 °C) に対応するには、Td> 250 °C の材料を選択してください。

ガラス転移温度 (Tg)

基材が軟化する温度。変形を避けるために、最大動作温度を超えないようにする必要があります。

熱膨張係数 (CTE)

ppm で表される CTE は、温度による寸法変化を表します。一般的な許容範囲は 10 ～ 20ppm です。銅と基板の間の応力を軽減するには、全体の CTE を 70ppm 以下にする必要があります。

電気的特性

絶縁耐力

材料が Z 方向に耐えられる最大電圧を示します。通常は 800 ～ 1500 V/mil です。

体積抵抗率

オーム-cm 単位で測定され、漏れを防ぐために>10MΩ・cm の値が推奨されます。

表面抵抗率

MΩ/平方で測定。一般的な値の範囲は 103 ～ 10⁹MΩ/sq です。

損失正接 (tanδ)

値が低い (0.001 ～ 0.02) と、特に高周波数での電力損失が少なくなります。

誘電率 (εr)

高頻度の作業では、3.5 ～ 5.5 の安定した εr が理想的です。

熱と電力に関する考慮事項

• 吸湿性 – 0.01～0.20% で誘電性能が制限されます。
• 可燃性 (UL94) – 炎上燃焼を 10 秒以上継続してはなりません
• 塩化メチレン耐性 – 耐薬品性は 0.01～0.20% で測定されました。

フレックスおよびフレックスリジッド ボードの機械的特性

• 密度 – g/cm3 または lb/in3。
• 剥離強度 – 銅と誘電体の結合強度
• 層間剥離までの時間 – 熱または湿気によるストレスに対する耐久性
• 曲げ強度 – PSI または MPa で測定されます。中心荷重またはヤング率によって評価されます。

追加の設計要素

ボードの厚さ

厚いボードは重いコンポーネントを構造的にサポートします。標準の銅の厚さは 35µm (1oz) です。大電流トレースには、より厚い銅 (≥1oz) が推奨されます。

トラックの間隔

クロストークを軽減するために、電源配線では 2mm、信号配線では 1mm の最小間隔を維持してください。

品質経由

充填ビアまたはボールビアは、特に BGA パッケージではんだの吸い上がりを防止し、信頼性の高い電気的接触を保証します。

コストとパフォーマンスの比較

高周波基板には低損失の誘電体が必要となることが多く、高価になる場合があります。コストとパフォーマンスのバランスをとり、耐久性とコスト効率の高い設計を実現します。

結論

熱的、電気的、機械的特性間の相互作用を理解することで、設計者はあらゆるアプリケーションに最適な PCB 材料を選択できるようになります。アルミニウムの軽量ヒートシンク、FR-4 のコスト効率、またはポリイミドの柔軟性が必要な場合でも、適切な選択により信頼性とパフォーマンスが向上します。

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PCB 材料の選択に関する詳細なガイダンスについては、サポート チーム (sales@wellpcb.net ) にお問い合わせください。 .