あらゆる電子機器設計プロジェクトにおいて、最適なプリント基板（PCB）ラミネート材料の選択は極めて重要な決定です。この材料は、PCBの性能、耐久性、コストといった要素に大きな影響を与える可能性があります。多種多様なラミネート材料が存在するため、特定のアプリケーションに最適な材料を見つけるのは容易ではありません。しかし、ご安心ください。このブログでは、最も一般的に使用される材料をいくつか紹介し、その特性について解説することで、情報に基づいた決定を下せるようお手伝いします。
PCB ラミネートとは何ですか?
では、PCBラミネートとは一体何でしょうか？PCBラミネートとは、基本的にプリント回路基板の残りの部分が構築される非導電性のベース層です。これは、機能基板を構成するすべての導電性銅配線と部品を支えるコアとなる基盤です。織り込まれたグラスファイバーの層をエポキシ樹脂で接着（ラミネート）することで形成されます。これにより、PCBのベースとなる強固で安定した材料が生まれます。
次のステップは、非常に薄い銅箔をラミネート材の片面または両面に貼り付け、導電性の銅配線を追加することです。グラスファイバーエポキシラミネートは、銅配線同士を電気的に絶縁すると同時に、PCBに機械的な支持と構造を提供します。
PCBラミネート材料の種類
ラミネート材には様々な種類があり、 PCB製造. 最も一般的なものは次のとおりです。
- FR-2
FR-2は紙ベースのフェノール樹脂積層板です。フェノール樹脂を含浸させた紙の層を熱と圧力で接着したものです。FR-2は最も経済的な選択肢の一つですが、他の材料と比較して機械的特性と電気的特性が比較的劣ります。吸湿性があり、低周波・低性能用途に限定されます。
- FR-3
FR-3も紙ベースのフェノール樹脂ラミネートですが、耐湿性を向上させるために異なる樹脂を使用しています。FR-2よりも機械的安定性はやや優れていますが、それでも安価で、性能が低くコスト重視の用途に適しています。
- FR-4
FR-4ガラスエポキシは、最も一般的で汎用性の高いPCB材料です。紙の代わりにガラス繊維を織った布を使用し、エポキシ樹脂を含浸させています。FR-4は優れた物理的強度、耐熱性、化学的安定性、電気絶縁性を備えており、ほとんどの汎用PCBに適しています。
- 高Tgエポキシ
高Tgエポキシとは、ガラス転移温度が高いエポキシを指します。標準的なFR-4よりも優れた熱特性と機械特性を備えています。高Tgエポキシは高価ですが、高温環境で使用される基板には必須です。
- BTエポキシ
BT樹脂は、吸湿性が極めて低いエポキシ樹脂の一種です。優れた寸法安定性と高周波特性を備えています。BTエポキシは、無線周波数（RF）基板に最適なPCB積層板の一つです。ただし、標準的なFR-4よりも高価です。
- PTFE（テフロン）
Rogers 4000シリーズのようなPTFE（ポリテトラフルオロエチレン）ベースのラミネートは、テフロンをベース材料として使用しています。PTFEは、 誘電損失マイクロ波などの高周波用途に最適です。ただし、FR-4よりもはるかに高価です。
- ポリイミド
ポリイミドプリント基板積層板は、極限環境下における安定性の象徴です。その優れた耐熱性、耐薬品性、高密度柔軟性により、航空宇宙、自動車、民生用電子機器などの産業における高度な用途に最適です。 多層PCB およびリジッドフレックス回路基板。
- CCL
CCL、または 銅張積層板CCLは、電子グレードのガラス繊維または類似の補強材を樹脂に浸透させ、片面または両面に銅層を積層して作られます。優れた電気的、物理的、化学的特性を持つため、設計者は高電圧回路用途にCCLを選択することがよくあります。
- CEM-1、CEM-3
CEMラミネートは、セルロース紙をエポキシ樹脂で接着したものです。高性能が求められない場合、FR-4の低コストな代替品としてご利用いただけます。CEM-3はCEM-1よりも優れた耐湿性を備えています。
さまざまなPCB積層板の製造方法
様々な積層材料からプリント基板を製造するには、いくつかの主要な製造プロセスが用いられます。最適な方法は、積層材料の種類、基板の複雑さ、そして生産量によって異なります。
- ドリルとルート
ドリル＆ルート方式は、少量生産のPCB製造において最も一般的で柔軟性の高いプロセスです。この方法では、機械式ドリルまたはレーザードリルを用いて、銅層に正確な位置に穴を開けます。その後、ルーティングマシンでパネルから基板の外形を切り出します。このプロセスは、FR-4、CCL、一般的なフレックスラミネートなど、あらゆる標準的なPCB積層材料に適しています。初期のツールコストは低～中程度であるため、試作や少量生産の基板には経済的です。
- パンチとクランチ
パンチ＆クランチ法は大量生産に適しています。この方法では、ドリル加工ではなく、鋼製のパンチダイを用いて穴や切り抜き加工を行います。パンチ加工された穴や外形は、パネルから「クランチ」加工されます。この方法により、ドリル加工とルーティング加工に比べてスループットが向上し、基板4枚あたりのコストも削減されます。ただし、専用のパンチダイが必要となるため、初期金型コストは高くなります。このプロセスは、FR-XNUMXなどの標準的な硬質ラミネートには適していますが、フレキシブルな材料には適していません。
- 高度なラミネートに関する考慮事項
PTFE、セラミック充填PTFE、高Tgエポキシといった高度なPCB積層材料は、製造プロセスの調整を必要とします。材料特性により、穴あけ、打ち抜き、ルーティング、積層パラメータの変更が必要になります。例えば、PTFEは穴あけが非常に難しく、特殊なドリルビットが必要です。また、特殊材料の積層工程では高温高圧が発生するため、特別なプロセス開発が必要になる場合もあります。
適切な PCB ラミネートを選択するにはどうすればよいでしょうか?
- 動作周波数を考慮する
適切なプリント基板ラミネートの選択は、回路の動作周波数を評価することから始まります。数GHzまでの低周波数であれば、標準的なFR-4ラミネートで十分です。しかし、信号減衰を最小限に抑えることが重要なRFおよびマイクロ波アプリケーションでは、PTFEなどの低損失ラミネートが不可欠です。動作周波数を慎重に検討することで、回路は最適な信号整合性と性能を維持できます。
- 熱要件の評価
アプリケーションの熱要件を理解することは非常に重要です。高出力回路基板では、熱を効果的に放散するために、優れた熱伝導性を備えたラミネートが必要です。熱応力による材料の劣化を防ぐには、最高動作温度を超えるガラス転移温度（Tg）を持つラミネートを選択することが重要です。適切な熱管理は、電子部品の長期的な信頼性を保証します。
- 機械的ストレスを評価する
用途によってPCBにかかる機械的ストレスは異なります。フレキシブル基板には、構造的完全性を損なうことなく必要な柔軟性を確保するために、堅牢かつ薄型の積層板が必要です。一方、リジッド基板には、機械的ストレスに耐え、圧力下でも回路の形状と機能を維持するために、高強度の積層板が必要です。積層板を特定の機械的要件に合わせて調整することで、最終製品の耐久性を確保できます。
- 吸収特性を考慮する
吸湿特性は、特に高信頼性が求められる湿気の多い環境において非常に重要です。BTエポキシやPTFEなどの吸湿率の低いラミネートは、膨潤や剥離を防ぐために不可欠です。これらの特性は、特に湿度の高い環境や濡れた環境において、PCBの安定性と信頼性を高め、長期にわたって安定した性能を保証します。
- 銅とコンポーネントのCTEを一致させる
温度サイクルにおける信頼性を確保するには、積層板の熱膨張係数（CTE）を銅やその他の部品の熱膨張係数（CTE）と一致させることが不可欠です。CTEの不一致は、層間剥離やはんだ接合部の不具合につながる可能性があります。材料間の適合性を確保することで、温度変化時の応力を最小限に抑え、PCBの完全性を維持し、潜在的な故障箇所を防止できます。
- コスト要因
性能要件と予算制約のバランスを取ることは極めて重要です。紙フェノール樹脂のような安価な選択肢は、コストが最優先事項である用途に適しており、基本的な性能を提供します。多くの用途で広く使用されているFR-4ラミネートは、コストと性能のバランスが取れているため、幅広い電子機器で人気の選択肢となっています。
- ラミネート加工能力を確認する
積層板の加工性、例えば積層時の接着強度、穴あけ加工時のドリル加工性、成形工程における精度確保のためのルータ加工性などを検討してください。選択した材料が製造プロセスに適合していることを確認することで、シームレスな製造と組み立てが保証され、欠陥発生の可能性を低減し、高品質のPCBを効率的に生産することができます。
- PCBメーカーに相談する
最後に、PCB メーカーとの連携は非常に重要です。 MOKOテクノロジーPCB業界における豊富な専門知識と経験を持つ当社は、お客様固有の要件に基づいた最適なご提案を提供いたします。最適なラミネート材料の選定をサポートし、お客様の回路基板がご希望の仕様を満たし、想定される動作条件下で確実に動作することを保証します。
最終的な考え
PCBラミネートは基板全体の基盤となるため、材料の選択は性能、信頼性、コストに連鎖的な影響を与えます。FR-4ガラスエポキシは、一般的な用途において最も優れた総合的な特性を提供します。紙ベースのラミネートは、性能がそれほど重要でない場合は低コストの選択肢となります。厳しいRF、熱、または機械要件を満たすには、特殊なラミネートが利用可能ですが、価格は高くなります。設計者と製造パートナーの連携は、利用可能な多様なラミネートの選択肢を的確に把握し、各用途に最適な材料を選択する上で重要です。適切なPCBラミネートを使用することで、電気的、熱的、機械的な特性に関して特定のニーズを満たし、コストを最適化するプリント回路基板を構築できます。
