FR-4からRogers、フレックスまでのPCB基材

プリント基板 (PCB) の基材は、銅を保持する絶縁層（誘電体）です。基材は、基板が耐えられる熱、信号が伝わる速さ、熱の逃がしやすさ、曲がるかどうかを決めます。ほとんどの基板では同じ材料が使われます。別の材料が必要になるのは、理由がある場合だけです。

ラミネートとは

リジッド基板はラミネートから始まります。ラミネートは、片面または両面に銅箔を接着した絶縁材料のシートです。絶縁体は通常、樹脂を含浸させて硬化させたガラス繊維の織物です。多層基板の層はプリプレグで接着されます。プリプレグは、半硬化した樹脂を含むガラスクロスで、積層時に溶けて接着します。ほとんどの用途では、次の3つの数値でラミネートを表します。

1. 銅箔: 面に接着されています。
2. 樹脂: 全体を保持し、絶縁する硬化したエポキシです。
3. ガラスクロス: 楕円は横断した繊維の束で、波状の糸は縦方向に走っています。強度を与え、厚さを一定に保ちます。
4. もう一方の面の銅: コアは両面に銅箔を持ち、銅パターンは後でエッチングされます。

• Tg（ガラス転移温度）。 樹脂が硬い状態から柔らかい状態に変わる温度です。Tgを超えると基板の膨張が大きくなり、穴とめっきに応力がかかります。
• Dk（誘電率）とDf（誘電正接）。 材料が電気信号に与える影響の強さと、吸収する信号エネルギーの量です。高周波とインピーダンス制御で重要になります。
• 熱伝導率。 誘電体を通して熱が伝わる度合いです。

FR-4

FR-4は、難燃剤を添加したガラス強化エポキシラミネートの一般名です。安価で強度があり、加工しやすく、ほとんどの電子機器に十分です。Dkは通常約4から4.6で、樹脂含有量と周波数によって変わります。また、ロットやメーカーによっても異なるため、正確な値が必要な設計者は層構成から確認します。

FR-4にはグレードがあり、主にTgで区分されます。

鉛フリーはんだはスズ鉛はんだより高い温度で溶け、基板はその高い温度で炉を通り、場合によっては2回通ります。層数の多い基板、厚い基板、手直しする基板では、高いTgが有効です。関連する数値であるTd（熱分解温度）は、樹脂が質量を失い始める温度を示し、過酷な使用条件で上位グレードを選ぶ理由の1つになります。

Tgを超えると樹脂が軟化し、基板の膨張が大きくなります。図では2つのグレードを比較しています。

1. 低グレードのTg: この温度を超えると基板の膨張が大きくなります。
2. 高グレードのTg: 基板はより高い温度まで硬さを保ちます。

FR-4には他のバリエーションも販売されています。求める市場向けのハロゲンフリー版や、導電性アノードフィラメント（基板内部で緩やかに進む故障）への耐性を高めたグレードです。製品に必要な場合は指定してください。

金属コア基板（アルミニウムと銅）

金属コア基板は、薄い絶縁層を介して薄い銅回路層を金属ベースに接着した基板です。金属ベースは通常アルミニウムで、銅の場合もあります。目的は熱です。絶縁層はFR-4よりはるかに熱を伝えやすくし、金属が熱を広げます。代表的な用途はLED照明と電力変換です。

知っておく点は次のとおりです。

• ほとんどは片面です。両面と多層のものもあり、コストが高くなります。
• 誘電体層の熱伝導率はグレードによって大きく異なるため、データシートの値を確認する価値があります。
• アルミニウムは上に載る部品と膨張の仕方が異なり、温度サイクルで大きなセラミック部品とはんだ接合部に応力がかかる場合があります。
• 金属基板の穴あけと外形加工は時間がかかり、基板は重くなります。制限を確認してください。

高周波ラミネート（Rogers、PTFEなど）

無線周波数とマイクロ波の周波数では、標準のFR-4は信号損失が大きく、Dkのばらつきも大きくなります。専用ラミネートはDkが低く安定しており、Dfははるかに低くなります。2つのグループがあります。PTFE系（テフロンタイプ）と、セラミック充填炭化水素などの材料です。Rogers Corporationはよく知られたメーカーで、他のメーカーも同等品を販売しています。Dkの値は系統によって約2から10の範囲があるため、選択は設計に合わせます。

実用上の注意点は次のとおりです。

• FR-4より面積あたりの価格が高くなります。
• PTFEは柔らかく滑りやすいため、特殊な加工が必要になる場合があります。
• 多くの設計ではハイブリッドが使われます。無線部分には薄い高周波層を使い、残りにはFR-4を使うことでコストを下げますが、工場で製造できる層構成が必要です。
• 1つの材料を前提に基板を設計する前に、工場が供給できるブランドと厚さを確認してください。

1 GHz未満では、これらが必要になることはほとんどありません。1 GHzから数ギガヘルツの間では、注意深いFR-4設計で多くの製品に対応できます。それより高い周波数、または損失が問題になる場合は、上位のラミネートが妥当な選択になります。

フレキシブル基板とリジッドフレックス基板

フレキシブル基板はガラス繊維ではなくポリイミドフィルムで作られます。曲げることができ、収めるために1回折ることも、可動部で繰り返し曲げることもできます。2つの用途は異なります。1回だけ曲げる場合は静的曲げ、繰り返し曲げる場合は動的曲げと呼び、設計ルール（銅の種類、曲げ半径、配線の引き回し）は同じではありません。リジッドフレックスは、リジッド部分とフレキシブルな接続を1つに組み合わせたものです。

覚えておく点は次のとおりです。

• フレックスには厚さに応じた曲げ半径が必要です。設計者は全体の厚さの倍数を使い、層数が多い場合と動的用途では倍数を大きくします。
• 部品を実装する箇所やコネクタを差す箇所には、補強材（コネクタ部の裏に接着する追加のリジッド材）が追加されます。
• フレックスとリジッドフレックスは、FR-4より面積あたりのコストがはるかに高くなります。
• フレックスは吸湿するため、実装前に乾燥させてください。

1. FR-4: 銅、樹脂中のガラスクロスからなる硬いコア（縞模様）、銅です。
2. 金属コア: 銅回路、薄い絶縁層、厚い金属ベースです。
3. フレックス: 銅を載せた薄いフィルムです。平らなままではなく曲がります。
4. 熱: 金属コア基板上の部品からの熱は、薄い絶縁体を通って下のベースへ伝わります。

選び方

1. FR-4から始めてください。はんだ付けプロセスと層数からTgを選んでください。
2. 少数の部品の熱が問題になる場合は金属コアを選び、基板を通して熱を逃がしてください。
3. 損失や安定したDkが性能を決める場合、通常は無線用途で、高周波ラミネートを選んでください。
4. 製品が動く場合、またはリジッド基板では収まらない形状に合わせる必要がある場合はフレックスを選んでください。
5. 迷う場合は、材料を前提に基板を設計する前に工場に確認してください。

ここで注文する場合

提供される材料、厚さ、特殊プロセスは製造能力ページに記載されており、有効な一覧が適用されます。工場ではFR-4、アルミニウム、銅、フレキシブル基板に対応し、高Tg、ハロゲンフリー、高周波材料にも対応しています。このサイトで注文できるものは製造能力ページで定められ、エンジニアがすべての注文を確認します。層構成とインピーダンスについては銅箔厚、層構成とインピーダンスで説明しています。