コストと信頼性の観点から見るPCB材料の選び方

PCB（プリント基板）に関して通常は基板材料を指す「材料」は、PCB において中核的な役割を果たします。なぜなら、それが PCB の主要な機能と特性を担っているからです。さらに、PCB 材料は、使用される製品やプロジェクトによって求められる高度かつ特殊な要件を PCB が満たすことを可能にします。加えて、最適な材料を選定することで、コスト削減と製品信頼性の向上にもつながります。

PCB材料選定で考慮すべき要素

・ガラス転移温度（Tg）

Tg は、材料がガラス状態に変化する温度を指します。標準的な Tg は 130℃ 以上、高 Tg は 170℃ 以上、中 Tg は 150℃ 以上です。

PCBの材料を選ぶ際には、高いTgを持つものを選択すべきであり、そのTgは電流が流れる動作温度より高くなければなりません。

・熱膨張係数（CTE）

物質の温度が上昇すると、物質は膨張または収縮します。PCB製造においては、X方向、Y方向および厚み方向のCTE（熱膨張係数）が異なるため、PCBは反りや変形を起こしやすくなります。さらに、めっきスルーホールが破損したり、部品が損傷したりする可能性があります。したがって、基板材料のCTEは十分に低くなければなりません。

• 耐熱性

PCB には耐熱性が求められます。一般的に、PCB は 250℃/50 秒の耐熱性を備えている必要があり、これは材料にも当てはまります。

・平坦度

PCB には優れた平坦性が求められます。SMT 実装に関しては、PCB の反りは 0.0075mm/mm 未満であることが要求されます。

・電気的性能

高周波回路では、高い誘電率と低い誘電損失を備えたPCB材料が求められます。加えて、絶縁抵抗、誘電破壊強度、およびアーク抵抗は、製品要件に適合していなければなりません。

PCB材料選定と製品・産業との相関関係

PCB材料選定は製品の信頼性に寄与する上で決定的な役割を果たし、また業界の特性や要求によっても左右されます。

一般的な電子製品には、FR4エポキシガラス繊維基板が使用されます。というのも、これらの製品は柔軟性、耐熱性、密度に関して特別な要求を必要としないためです。

環境温度や柔軟性に対してより高い要求がある電子製品には、ポリイミドガラス繊維基板が適用されます。高周波用途には、PTFEガラス繊維基板を使用する必要があります。放熱性能に対してより高い要求があるPCBには、金属ベース基板を使用する必要があります。

PCB基板材料の分類

銅張積層板（CCL）は、最も一般的に使用されるPCB基板材料です。CCLは通常、銅箔、樹脂および基材で構成され、さらにいくつかの種類に分類されます。

・リジッドCCL

a. 紙基フェノールCCL

紙ベースのフェノール系CCLは最も長い歴史を持ち、FR2、FR1、XXXPC、XX、XXP、X、XP、XPC などの種類があります。低コストであることを特徴としており、オーディオやビデオなどの民生用電子機器に大量に使用されており、そのほとんどは片面PCBです。

b. 紙基エポキシCCL

紙ベースのエポキシCCLは、テレビ、パソコン、プリンター、電卓、通信機器および電源用基板に大量に使用されています。さらに、民生用電子機器に用いられるスルーホールPCBにも使用されています。

c. 紙基ポリマーCCL

紙ベースのポリマーCCLはCAFに強く、高品質な音色を特徴としているため、主にカラーテレビやステレオに使用されます。これは日本で開発されましたが、その後製造が中止されました。

d. ガラス繊維エポキシCCL

その信頼性の高さから、ガラス繊維エポキシCCLはCPU、OA機器、通信機器および医療機器製品に最も広く使用されています。さらに、その電気絶縁性、耐熱性、寸法安定性、耐湿性および耐薬品性により、ガラス繊維エポキシCCLはスルーホールを有する両面PCBに多用されています。PCBの高密度化の傾向に伴い、ガラス繊維エポキシCCLは多層PCBにおいて、コア材やプリプレグなどの材料としても使用されています。

e. 複合CCL

複合CCLに使用される樹脂は主にエポキシ樹脂とポリエステル樹脂です。複合CCLは主として片面PCBおよびスルーホールPCBに用いられます。CEM-3複合CCLは、その信頼性、耐熱性、耐湿性、および寸法安定性により、特定の産業分野で一般的に使用されています。さらに、複合CCLは薄いPCB基板上でのSMT実装により適した材料です。

FR4とは何か？

FR4 は、耐火性を有し、火災に遭った後に自動的に消火できる一種の材料のグレードを示しています。したがって、FR4 は材料そのものの名称ではなく、材料のグレードを示すものです。

FR4材料はいくつかの分類に分けることができます。

FR4 A1 は、その高い品質と性能により、主に軍事用途、通信、デジタル回路、産業用計器、自動車分野に属する電子製品に使用されています。

FR4 A2 は、そのすべての特性が PC、計測機器、家電製品および一般的な電子製品を含む一般産業の要求に適合しているため、最も幅広い産業分野で使用されています。さらに、他の種類の材料と比べてコストが低いという利点もあります。

FR4 A3は、おもちゃ、電卓、ゲーム機などの一般的な電子製品のような、通常の電子機器の要求やニーズに対応することができます。製品機能との適合性により、FR4 A3は極めて低価格を実現しています。

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