あなたのPCBに最適なPCB基板材料の種類はどれですか？

プリント基板（PCB）の基本的な特性は、その基板材料の性能に依存することが広く知られています。したがって、回路基板の性能を向上させるためには、まず基板材料の性能を最適化しなければなりません。現在までに、多数の新しい種類の材料が開発され、新技術や市場動向に適合する要求を満たすために実用化されています。

近年、プリント基板市場は、デスクトップPCなどの従来型ハードウェア製品から、サーバーやモバイル端末といった無線通信分野へと焦点を移す変革を遂げている。モバイル通信機器は、その代表例としてスマートフォンは、プリント基板の高密度化・軽量化および多機能化を推進しているプリント基板技術は、PCB の性能と密接に関連する技術的要件を持つ基材なしには決して実現できない。そのため、基材の選定は、PCB およびそれらが使用される最終製品の品質と信頼性に大きく寄与する極めて重要な役割を果たす。

高密度および微細配線への対応要件

•銅箔に関する要件

すべてのPCB基板は、特にHDI PCB（高密度配線基板）において、高密度化および微細配線化の方向へと進化しています。10年前、IPCによってHDI PCBは、ライン幅（L）およびライン間隔（S）が0.1mm以下のPCBと定義されていました。しかし現在では、電子業界におけるLおよびSの標準値は60μmほどまで微細化しており、さらに先進的な状況では40μmという極めて小さな値にまで達しています。

回路パターン形成の従来方法は、イメージングおよびエッチングの工程に基づいており、その結果、薄銅箔基板（厚さ9μm～12μmの範囲）を適用することで、LおよびSの最小値は30μmに達する。

薄銅箔CCL（銅張積層板）はコストが高く、積層時の欠陥も多いため、多くのPCBメーカーは代わりに銅箔厚を18μmに設定したエッチングによる減銅方式を採用する傾向があります。しかし、この方法は工程数が多く、厚みの制御が難しく、コストも高くなるため、実際には推奨されません。その結果として、薄銅箔の方が望ましいと言えます。さらに、基板のLおよびSの値が20μm未満の場合、標準銅箔は使用できません。最終的には、銅厚が3μmから5μmの範囲に制御された超薄銅箔の使用が推奨されます。

銅箔の厚さに加えて、現在の微細回路では銅箔表面の低粗さも求められています。銅箔と基材との接着性を向上させ、導体の剥離強度を確保するために、銅箔の平面には粗化処理が施されており、一般的な銅箔の粗さは 5μm 以上となっています。

銅箔上のエンボス（ハンプ）を基材に埋め込むことは、ピール強度を高めることを目的としている。しかし、回路エッチング時にリード精度を制御して過度なエッチングを防ぐためには、ハンプによる汚染が発生しやすくなり、その結果、ライン間の短絡が生じたり、絶縁性能が低下したりして、特に微細回路に影響を及ぼす。そのため、低粗さ（3μm未満、さらには1.5μm未満）の銅箔が求められている。

銅箔の粗さが低減されても、導体の剥離強度は依然として維持される必要があり、そのため導体の剥離強度を確保するのに役立つよう、銅箔および基材表面に特別な表面処理が施される。

•絶縁誘電積層板に関する要求事項

HDI PCB の主要な技術的特性の一つは、ビルドアッププロセスにあります。通常使用される RCC（樹脂付き銅箔）や、プリプレグエポキシガラスクロスと銅箔の積層では、微細回路を実現することはほとんどできません。現在では SAP や MSPA が採用される傾向にあり、これは絶縁性誘電体フィルムを積層し、その上に化学銅めっきを施して銅導体層を形成する方法を意味します。銅層が薄いため、微細回路の形成が可能になります。

SAP の重要なポイントの一つは、積層用誘電体材料にあります。高密度微細回路の要求を満たすためには、誘電特性、絶縁性、耐熱性および接着性といった積層材料の要件に加え、HDI PCB と互換性のある技術的適合性も備える必要があります。

世界的な半導体パッケージの中で、ICパッケージ用サブストレートはセラミック基板から有機基板へと移行している。FCパッケージ用サブストレートのピッチはますます微細化しており、現在のLおよびSの代表値は15μmであり、今後さらに小さくなる。

多層基板の性能においては、低誘電特性、低熱膨張係数（CTE）、および高耐熱性が重視される。これは、性能要件を満たしつつ低コストに対応する基板を指す。現在では、薄銅箔と絶縁誘電体積層を組み合わせた MSPA 技術が、微細回路の量産に適用されている。SAP は、L と S の値がともに 10μm 未満である回路パターンの製造に用いられている。

PCB の高密度化および薄型化により、コア付き積層構造の HDI PCB から、コアを用いない任意層接続 HDI PCB への移行が進んでいる。同一機能を有する HDI PCB においては、任意層でのインターコネクションを採用したものは、コア付き積層構造のものと比べて、面積および厚さが 25% 減少する。これら両方の HDI PCB には、より優れた電気特性を持つ、より薄い絶縁層を適用する必要がある。

高周波・高速から導かれる要件

電子通信技術は、有線から無線へ、低周波・低速から高周波・高速へと発展してきました。スマートフォンの性能も、より高速な伝送速度とより大きな伝送量への強い需要に伴い、4Gから5Gへと進化しています。

グローバルなクラウドコンピューティング時代の到来により、データトラフィックは何倍にも増加し、通信機器の高周波数・高速化という明確な傾向が生じている。高周波・高速伝送の要求を満たすためには、信号干渉や損失の低減、シグナルインテグリティの確保、および設計要件に適合した製造性といったPCB設計上の条件に加えて、高性能材料が最も本質的な要素となる。

エンジニアの主な仕事は、PCB の速度向上を図り、シグナルインテグリティの問題に対処するために、電気信号損失の特性に取り組むことにある。PCBCart が 20 年以上にわたる製造サービスを提供してきた経験に基づくと、基板材料選定に影響を与える重要な要素として、誘電率（Dk）が 4 未満かつ誘電正接（Df）が 0.010 未満の場合は中誘電率／中損失（ミドル Dk/Df）積層板と見なされ、Dk が 3.7 未満かつ Df が 0.005 未満の場合は低誘電率／低損失（ロー Dk/Df）積層板と見なされる。現在、市場では複数種類の基板材料を選択することができる。

現在まで、一般的に使用されている高周波回路基板の材料は、主にフッ素系樹脂、PPO または PPE 樹脂、および改良エポキシ樹脂の3種類に分類されます。フッ素系誘電体基板、例えば PTFE は、最も低い誘電特性を有しており、通常 5GHz 以上の周波数の製品に使用されます。一方、改良エポキシ FR-4 または PPO 基板は、1GHz から 10GHz の範囲の周波数を持つ製品に使用されます。

3種類の高周波基板材料を比較すると、エポキシ樹脂は価格が最も低く、フッ素系樹脂は最も高価である。誘電率、誘電正接、吸水率および周波数特性の観点では、フッ素系樹脂の性能が最も優れており、エポキシ樹脂は劣る。製品に印加される周波数が10GHzを超える場合、使用できるのはフッ素系樹脂のみである。PTFEの欠点としては、高コスト、剛性の低さ、および熱膨張係数が大きいことが挙げられる。

PTFEの場合、シリカ（二酸化ケイ素）などの大量の無機物質を充填材やガラスクロスとして用いることで、基材の剛性を高め、熱膨張係数を低減することができる。さらに、ポリフロン分子はその不活性さゆえに銅箔と結合しにくいため、銅箔に適合した特別な表面処理を施す必要がある。この処理方法としては、ポリフロン表面を化学的にエッチングして表面粗さを増大させるか、接着フィルムを追加して密着性を高めるかのいずれかである。この方法を適用すると、誘電特性に影響を及ぼす可能性があり、フッ素系高周波回路全体に対してさらなる開発を行う必要がある。

変性エポキシ樹脂またはPPEとTMA、MDI、BMIで構成される独自の絶縁樹脂に、ガラスクロスを組み合わせたものが多く用いられている。FR-4 CCL と同様に、優れた耐熱性と誘電特性、機械的強度に加え、PCB の製造適性も備えており、これらの特性により PTFE 系基板よりも広く用いられている。

上記のような樹脂などの絶縁材料の性能要件に加えて、導体である銅の表面粗さも、スキン効果の結果として生じる信号伝送損失に影響を与える重要な要素である。 基本的に、スキン効果とは、高周波信号伝送時にリード線に発生する電磁誘導とインダクタンスが、リード線断面の中心部に集中し、その結果、電流や信号がリード線の表面に集中して流れる現象を指す。 導体の表面粗さは伝送信号損失に大きな影響を及ぼし、表面粗さが低いほど損失は小さくなる。

同一周波数では、銅の表面粗さが大きいほど信号損失も大きくなる。そのため、実際の製造においては表面銅の粗さを管理する必要があり、密着性に影響を与えない範囲で可能な限り小さくしなければならない。特に 10GHz 以上の帯域の信号には十分な注意を払う必要がある。銅箔の粗さは 1μm 未満であることが求められ、粗さ 0.04μm の超平滑銅箔を使用することが望ましい。銅箔の表面粗さは、適切な酸化処理および接着用樹脂システムと組み合わせて用いなければならない。近い将来、樹脂でコーティングされた輪郭を持たず、より高いピール強度を有しつつ、誘電損失への影響を抑えたタイプの銅箔が登場する可能性がある。

高い耐熱性と放熱性に対する要求

小型化および高機能化の発展傾向に伴い、電子機器はより多くの熱を発生する傾向があり、電子機器の熱管理にはますます高い要求が求められるようになっている。この問題の解決策の一つは、熱伝導性プリント基板（PCB）の研究開発にある。PCBが優れた耐熱性および放熱性を発揮するための第一条件は、基材自体の耐熱性および放熱能力である。現在、PCBの熱伝導性能の向上は、樹脂やフィラーの添加による改良が中心であるが、その効果は限られた範囲にとどまる。代表的な方法としては、発熱部品として機能するIMS（絶縁金属基板）やメタルコアPCBを用いる手法が挙げられる。従来のヒートシンクやファンと比較して、この方法は小型化および低コストといった利点をもたらす。

アルミニウムは、資源が豊富で低コストであり、優れた熱伝導性と強度を備えた、非常に魅力的な材料であるさらに、非常に環境に優しいため、ほとんどの金属基板またはメタルコアに採用されています。経済性、信頼性の高い電気的接続、熱伝導性および高い強度、無はんだ・無鉛といった利点により、アルミ基板は民生品、自動車、軍需品および航空宇宙製品に使用されています。金属ベース基板の耐熱性および放熱特性については疑いの余地はなく、重要なポイントは金属基板と回路面との密着性能にあります。

PCBの基板材料をどのように選定するか？

現代の電子時代において、電子機器の小型化・薄型化により、リジッド基板およびフレックス／リジッド基板の登場が不可欠となっています。では、それらにはどのような種類の基板材料が適しているのでしょうか。

リジッドPCBおよびフレックス／リジッドPCBの応用分野の拡大に伴い、その数量と性能の両面で新たな要求が生じている。例えばポリイミドフィルムは、さまざまな用途に対応するため、高耐熱性および低熱膨張係数を備えた透明、白、黒、黄など複数の種類に分類される。同様に、コストパフォーマンスに優れたマイラー基材も、高い弾性、寸法安定性、フィルム表面品質、光電結合性、耐環境性といった利点により市場に受け入れられ、ユーザーの多様な要求に応えることになる。

リジッドHDI基板と同様に、フレックスPCBも高速・高周波信号伝送の要求に適応する必要があり、フレックス基材の誘電率および誘電損失にも注目しなければなりません。フレックス回路は、ポリテトラフルオロエチレンおよび高性能ポリイミド基材によって構成することができます。ポリイミド樹脂に無機粉末やカーボンファイバーを添加することで、3層構造のフレックス放熱基板を生成することができます。無機充填材としては、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または六方晶窒化ホウ素を用いることができます。この種の基板材料は、1.51W/mKの熱伝導特性を有し、2.5kVの耐電圧および180度の曲げに耐えることが可能です。

フレキシブルPCBは主にスマートフォン、ウェアラブル機器、医療機器およびロボット工学分野で使用されており、それに伴いフレキシブルPCB構造に対して新たな要求が生じている。現在までに、フレキシブルPCBを含むいくつかの新製品が開発されており、その一例として、厚さが0.4mmから0.2mmへと薄型化された超薄型フレキシブル多層PCBが挙げられる。高速伝送フレキシブルPCBは、低Dkおよび低Dfのポリイミド基材を用いることで、5Gbpsの伝送速度を実現できる。大電力対応のフレキシブルPCBでは、100μmを超える厚さの導体を採用し、高電力・大電流回路の要求を満たしている。これらすべての特殊なフレキシブルPCBは、当然ながら従来とは異なる基材を必要とする。

PCBCart にお任せください：PCB 材料選定と PCB 製造ニーズへの対応

この記事では、プリント基板用の基材を選定する際のガイドラインについて、科学的かつ専門的な観点から解説します。誘電率（Dk）、誘電正接／損失係数（Df）、表面粗さ、熱分解温度、CTE など、基材の特性に関する用語があいまいでよく分からないという方に向けて、納得のいく基材をコスト効率よく決定する方法を紹介します。

世界有数のベアボード製造、PCBアセンブリおよび部品調達サービスのサプライヤーの一つとして、PCBCart は信頼性とコストの両面を重視し、お客様に最適な PCB ソリューションをカスタマイズすることを専門としています。合意可能な基板材料の選定と PCB 製造を実現するために、当社のエンジニアは、PCB の機能および使用環境に加え、お客様のプロジェクト予算および製品性能要件など、あらゆる要素を考慮に入れます。これまでに、FR4 PCB、Rogers PCB、フレックス／リジッドフレックス PCB、メタルコア PCB など、数十万件に及ぶ PCB プロジェクトに対応し、99％の顧客満足度を達成しています。PCBCartは、お客様のプロジェクトに最適なPCB基板材料を選定し、回路基板が本来備えるべき最高の性能を発揮できるよう製造いたしますので、どうぞご安心ください。

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