必読：PCB材料ガイド

電子機器において、PCBはあらゆるものをスムーズに動作させる縁の下の力持ちです。まるで街のあらゆる部分をつなぐ道路のように、信号を必要な場所に届けます。道路には交通量に対応できる信頼性の高い素材が求められるように、PCBも頑丈に作られていなければなりません。PCBの素材選びは重要です。それは、デバイスが日々の使用においてどれだけ優れたパフォーマンスを発揮し、耐久性を発揮するかを左右します。幸いなことに、PCBには多様な素材が用意されており、お客様の設計ニーズに合わせてお選びいただけます。このガイドでは、主なPCB素材と、それぞれの素材の特徴について解説します。それでは早速見ていきましょう！

回路基板は何でできていますか?

このセクションでは、主に PCB を構成する主要な層とそこで使用される材料について紹介します。

• 基板層

プリント基板の基板層は、家の基礎のようなものです。プリント基板上のすべての部品は、この基板の上に構築されます。通常、この層はグラスファイバーで作られており、これがプリント基板特有の剛性を生み出しています。しかし、グラスファイバーだけが唯一の素材ではありません。

基板は、エポキシ、CEM-1、G-11、絶縁金属、FR-1、ポリイミドなどを使用して製造することもできます。それぞれの材料には独自の特性があり、エンジニアはPCBの耐熱性や誘電率などを考慮して選択します。しかし、すべての選択肢の中で、FR-4が圧倒的に人気があります。

• 導電層

基板層がプリント回路基板の基盤だとすると、導電層はすべてを動かす配線と考えることができます。これは、回路全体に信号と電力を伝送する薄い銅のトレースで構成された層です。

銅は優れた導体であり、銀や金などの他の材料よりも手頃な価格であることから、導電層によく使われる素材となっています。確かに、これらの材料の方が導電性は若干高いですが、ほとんどの用途では銅で十分です。

プリント基板上の導電性配線は、まるで小さな銅の高速道路のように、あらゆる部品に電気を運びます。これらの配線のレイアウトと設計は、信号が高速かつ効率的に伝送されるようにするために非常に重要です。

• ソルダーマスク層

ソルダーマスク層は、薄いプラスチック状のコーティングで、プリント基板（PCB）の銅配線上に形成されます。この層は絶縁体として機能し、PCBの組み立て時に隣接する銅配線間で半田がブリッジするのを防ぎます。そのため、ソルダーマスクは不要な電気接続の形成を防ぐ上で重要な役割を果たします。ソルダーマスクは、意図した半田付け箇所のみを露出させることで、半田が適切な接続を形成し、短絡を回避するように誘導します。ソルダーマスクには、塗布方法に応じて、エポキシ液状、ドライフィルム状、感光性液状など、いくつかの異なる材料が使用されます。

• シルクスクリーン層

プリント基板上のシルクスクリーン層は、電子機器を組み立てるためのロードマップのようなものです。このエポキシインクは、最終段階でプリント基板上に印刷されます。各部品の配置場所を分かりやすいラベルやマーキングで示しています。ラベル表示だけでなく、シルクスクリーンにはメーカーからの重要な警告やロゴも表示されます。白いインクで印刷されたこれらの小さな記号やコードは、組み立てやデバッグにおいて非常に重要な指針となります。

一般的なPCB材料の種類

1. FR-4（難燃剤4）

FR-4は、手頃な価格、信頼性の高い性能、そして製造の容易さという最適な組み合わせにより、プリント基板の主要材料となっています。FR-4は、エポキシ樹脂を含浸させた織りガラス繊維布を難燃性材料で補強した構造です。FR -4プリント基板は、効果的な電気的絶縁性と構造的な堅牢性を備え、高温・低温を問わず機能的に安定しています。この汎用性により、FR-4は家電製品、通信機器、産業機械など、さまざまな製品のプリント基板として最適な選択肢となっています。

2. CEM-3

FR-4と同様に、CEM-3はエポキシ樹脂に浸した織りガラス繊維から作られています。そのため、FR-4と同様に優れた電気絶縁性、機械的強度、熱安定性といった多くの望ましい特性を備えています。しかし、CEM-3はFR-4よりもやや手頃な価格であるという点で優れています。最高の性能を必要としない回路設計においては、コスト意識の高いエンジニアは高価なFR-4ではなくCEM-3を選ぶことがよくあります。そのため、高度な用途では依然としてFR-4が主流ですが、より一般的なプリント基板のニーズにはCEM-3が魅力的な選択肢となります。CEM-3は、その性能と手頃な価格のバランスにより、あらゆる種類の電子機器にとって信頼できるバックエンド材料となっています。

3. ポリイミド

ポリイミドは、過酷な環境下におけるプリント回路基板に最適な、汎用性の高いポリマー材料です。比類のない熱安定性、機械的柔軟性、耐薬品性に​​より、極めて過酷な動作環境下においても、その完全性と機能性を維持します。多くの材料は極度の高熱や腐食性物質によって堅牢性が損なわれますが、ポリイミドはその特性を維持し、信頼性の高い性能を発揮し続けます。

この優れた耐熱性と耐薬品性、そして構造上の柔軟性により、ポリイミドは航空宇宙、自動車、軍事など、多くの業界のミッションクリティカルな電子機器に最適です。

4. テフロン(PTFE)

この素材は、レーダーや衛星周波数帯においても信号損失を最小限に抑える優れた電気特性を備えています。PTFEの最大の特長は、低い誘電率と誘電正接であり、信号の劣化や歪みを抑制します。また、高いガラス転移温度のおかげで、優れた熱安定性も備えています。テフロン基板は、極度の高温にさらされても構造と性能を維持します。さらに、この基板素材は優れた耐薬品性を持ち、他のプラスチックを損傷するような過酷な化学物質にもびくともしません。

5. 金属コアPCB材料

メタルコア基板は、その名の通り、放熱性を高めるためにアルミニウムなどの金属コアを備えています。部品が非常に高温になる場面で広く使用されています。高出力LEDライト、電源コンバータ、車載電子機器など、高温になるあらゆるものがこれに該当します。ですから、次に電子機器を製作する際に、部品が恐ろしく高温になるような場合は、メタルコア基板が頼りになります。一体型のメタルコアが、温度に敏感な部品から熱を効率的に放散し、過熱を防ぎ、安定した性能を発揮します。

6. ロジャース素材

ロジャース・コーポレーションは、要求の厳しいアプリケーションに対応する高性能製品を提供する、業界をリードするPCB材料サプライヤーです。人気のRO4000およびRO3000シリーズは、高周波、高温、高信頼性のニーズに対応します。ロジャースの材料は、レーダーシステム、掘削装置、航空宇宙用電子機器など、性能が極めて重要な製品に必要な特殊な特性を備えています。社内研究開発と製造体制を備えたロジャースは、ミッションクリティカルな基板向けに、品質を重視するメーカーから信頼される最高級のPCB材料を製造しています。過酷な条件下でも回路が完璧に機能することが求められる用途において、ロジャースはその性能を確かなものにします。

以下は、これらの PCB 材料をさまざまな側面から比較した表です。

PCB材料を選択する際に考慮すべき要素

プリント基板製造用の材料を選定する際には、複数の側面を評価する必要がある。

電気的性能

• 誘電率（Dk）：これは信号伝播速度とインピーダンス制御に影響します。Dk値が高いほど、信号速度が低下する可能性があります。
• 誘電正接（Df）：信号損失と電力効率に影響します。高周波アプリケーションではDf値が低いほど望ましいです。

機械的強度

• 引張強度: 変形や破損なく機械的ストレスに耐える PCB の能力を決定します。
• 曲げ強度: フレキシブルまたは リジッドフレックスPCB曲げや屈曲に対する耐性を示します。

熱特性

• 熱伝導性：電力消費量の多いコンポーネントの放熱に不可欠です。高い熱伝導性は、より効率的に熱を放散するのに役立ちます。
• 熱膨張係数 (CTE): PCB とコンポーネントの CTE が一致しないと、熱サイクルによる信頼性の問題が発生する可能性があります。

可燃性と難燃性

• UL規格：UL 94規格は、材料の可燃性と自己消火性に基づいて分類します。例えば、V-0はV-2よりも難燃性が高いとされています。

コストの検討

• PCB材料のコストは大きく異なります。PTFE（テフロン）のような高性能材料は、一般的なエポキシ系材料であるFR-4よりも高価になる傾向があります。

製造可能性

• 組み立てプロセスとの互換性: 一部の材料には特殊な装置や処理方法が必要になる場合があり、製造コストに影響を及ぼす可能性があります。
• 掘削性と機械加工性: 材料は製造工程で扱いやすくなければなりません。

環境への配慮

• RoHS 準拠: 選択したプリント回路基板の材料が、特定の有毒物質を制限する RoHS 要件などの該当する環境基準を満たしていることを確認します。
• リサイクルと廃棄: PCB のライフサイクル終了後の材料のリサイクルと廃棄の容易さを考慮してください。

信号の完全性と周波数

• 高周波アプリケーション：高周波では、材料によって信号損失特性が異なります。信号品質を向上させるには、損失正接の低い材料を選択してください。

ボトムライン

プリント基板に適した材料を選ぶことは非常に重要です。基板の性能、寿命、製造コストに大きな影響を与えるからです。考慮すべき点としては、電気伝導性、放熱性、耐久性、そして様々な化学物質や環境への耐性などが挙げられます。用途によっては、環境要因も考慮する必要があるでしょう。各基板材料の長所と短所を理解することで、エンジニアはそれぞれのプロジェクト目標に最適な材料を選択できます。基板材料の選択でお困りの場合は、MOKO Technologyにご相談ください。