プロジェクトに適したさまざまな種類のPCB基板材料

まず第一に、PCB製造に適した基板材料を選ぶことが重要です。メーカーは、特性の異なる様々な種類の基板材料を使用しています。この記事では、プロジェクトに最適なPCB基板材料の選び方をご紹介します。さらに、様々なPCB基板の種類についても解説します。

PCB基板：誘電体材料のすべての主要特性

この材料は、4つの導電層の間に絶縁層が存在するため、回路から最小限の電気しか取り出せません。例えば、FR-XNUMXは最も一般的な誘電体です。回路基板にFR-XNUMXを選択する前に、その特性を考慮する必要があります。

誘電体材料の最も重要な 4 つの特性は次のとおりです。

1. 熱特性

基板材料の熱特性を考えてみましょう。

ガラス転移温度

PCB基板がガラス状または硬質の状態から軟化または変形可能な状態になる温度範囲。材料の特性は冷却後に元の状態に戻ります。この温度範囲はTg単位で表すことができます。また、この温度は摂氏で測定する必要があります。

分解温度

Tdは分解温度を表す表現です。これは、物質の質量が最大5%減少する化学分解法です。Tdの測定単位は ^oC.

このプロセスでは、特性は可逆的であるか、あるいは不可逆的です。基板材料が分解温度に達すると、材料の特性に変化が生じます。この変化の後、材料の特性は可逆的ではありません。一方、ガラス転移温度では、特性は可逆的です。

基板材料は、Tdより低くTgより高い温度範囲で選択する必要があります。つまり、温度範囲は200～250℃です。 ^oC. したがって、Td をこれよりも高くするようにしてください。

熱膨張係数

CTEは、PCB材料が加熱後に膨張する速度を示します。CTEは百万分の一（ppm）で表すことができます。材料の温度がTgを超えると、CTEも上昇し始めます。ほとんどの基板は銅よりも高いCTEを持っています。そのため、PCBの温度が上昇すると、相互接続に問題が生じる可能性があります。

CTEはX軸とY軸に沿って比較的低く、10～20ppm/cmの範囲です。 ^oCはこれらの軸に沿って伸びます。これはガラス繊維がこれらの軸に沿って伸びるのを抑制しているためです。その結果、Tgを超えてもCTEに大きな変化は発生しません。

ガラス繊維が織り込まれているため、材料はZ軸方向に膨張します。そのため、この軸方向の熱膨張係数（CTE）は可能な限り低く抑える必要があります。70ppm/cmXNUMX未満に抑えるようにしてください。 ^oC. 材料が Tg を超えると CTE が上昇します。

さらに、CTEを使って材料のTgを特定することもできます。温度と変位の関係を示す曲線をプロットするだけで済みます。

熱伝導率

この特性は熱伝導に関するものです。熱伝導率はkを用いて表すことができます。熱伝導率が低いということは熱伝達率が低いことを意味し、逆もまた同様です。物質の熱伝導率は、ワット/メートル（℃）で測定できます。

PCB基板材料の大部分の熱伝導率は0.3～0.6W/M-ºCです。この熱伝導率は銅に比べてかなり低く、銅のkは約386W/M-ºCです。そのため、回路基板において銅プレーン層は誘電体材料よりも多くの熱を放散します。

2. 電気的特性

比誘電率（DkまたはEr）

インピーダンスと信号整合性を確認するには、材料の誘電率を考慮することが非常に重要です。どちらも高周波電気性能の重要な要素です。ほとんどのPCB基板材料では、Erの範囲は2.5～4.5です。

誘電率は周波数に依存します。周波数が高くなると、誘電率は低下します。さらに、この変化は材料の種類によっても異なります。広い周波数範囲で誘電率がほぼ一定であるため、高周波用途に最適な材料です。

誘電正接（Df Tan δ）

材料の損失正接は、材料によって失われる電力の尺度となります。材料の損失正接が低いほど、電力損失は少なくなります。ほとんどの回路基板材料のTan δの範囲は0.02です。また、低損失材料や高級材料ではTan δの値は0.001になることもあります。Tan δの値は周波数が高くなると増加します。

損失正接はデジタル回路ではそれほど重要ではありませんが、1GHzを超える高周波では重要です。さらに、損失正接は信号の減衰度合いを知るのに役立つため、アナログ信号においては非常に重要です。

体積抵抗率

製造業者は体積抵抗率を電気抵抗率と呼んでいます。これは、材料の絶縁性または電気抵抗を測定するのに役立ちます。材料の抵抗率が高いほど、回路内の電荷の移動が少なくなります。このシステムの抵抗率の国際単位はΩ-mです。

誘電体絶縁体は非常に高い抵抗率を持ちます。抵抗率の範囲は10⁶～10¹⁰メガオームセンチメートルです。湿度と温度は抵抗率に影響を与えます。

表面抵抗率 – ρS

表面抵抗率（ρS）は、回路基板材料の電気抵抗または絶縁抵抗を表します。体積抵抗率と同様に、表面抵抗率は非常に高い値である必要があります。したがって、表面抵抗率は10⁶～10¹⁰メガオーム/平方の範囲である必要があります。

電気強度

この特性は、回路基板材料の耐電圧性能を測定するのに役立ちます。これは、材料がZ軸方向の絶縁破壊にどれだけ耐えられるかを示します。このシステムの電気強度の国際単位はボルト/ミルです。ほとんどの誘電体材料の電気強度は800～1500ボルト/ミルです。

3. 化学的性質

難燃性仕様 – UL94

これは、プラスチックの難燃性を最も低いものから最も高いものまで分類するプラスチックの燃焼性規格です。そのため、プラスチック材料の機器試験に非常に役立ちます。この規格は、アンダーライターズ・ラボラトリーズ（UL）によって制定されています。この規格の必須要件は以下のとおりです。

1. 炎燃焼する試験片は、試験炎を当ててから最大 10 秒間は燃焼しません。
2. 総燃焼時間は50秒を超えません。これは、XNUMXつの試験片セットにおけるXNUMX回の炎照射時間です。

• 試験片は保持クランプまで燃え尽きて赤熱燃焼することはありません。

1. さらに、乾燥したスポンジ状の手術用綿を燃え上がらせるような燃えやすい物質が滴り落ちることもありません。綿は試験サンプルの300mm下にあります。
2. 2の後^nd試験炎を除去すると、試験片は約 20 秒間持続する輝く燃焼を示さなくなる場合があります。

吸湿

回路基板材料の耐水性です。吸水後の回路基板の重量増加率を確認できます。また、様々な試験方法を用いてこの割合を計算することもできます。ほとんどの材料は0.01%から0.20%の水分を吸収します。

吸湿は、回路基板材料の様々な特性に影響を及ぼす可能性があります。例えば、材料の電気的特性や熱的特性に影響を与える可能性があります。さらに、回路基板に通電した際に導電性陽極フィラメントへの抵抗能力にも影響を与えます。

塩化メチレン耐性

ボードの耐薬品性を測定するのに役立ちます。特に、塩化メチレンの吸収に対するボードの耐性を確認できます。

値はパーセンテージで表すことができます。塩化メチレンを吸収すると重量が増加することに気づくでしょう。これは管理された条件下で発生します。PCB基板材料の大部分は、吸湿性と同様に0.01%～0.20%の抵抗値を持っています。

4. 機械的性質

ピール強度

誘電体と銅導体間の接着強度を表します。剥離強度を表す単位は、1インチあたりの力（ポンド）です。PLIと表記することもできます。

剥離強度試験はPCB基板の厚さに依存します。例えば、試験には1オンス（約32g）の厚さの銅箔が必要です。また、標準的な回路基板製造工程では、124～XNUMXmm幅の銅箔が必要になります。この工程は、以下のXNUMXつの条件で完了できます。

• 熱応力: サンプルをはんだの上に浮かべて10℃で288秒間放置した後。
• 体温上昇: サンプルを125℃の液体にさらした後、または熱風にさらすこともできます。
• プロセス化学物質への曝露: サンプルを一連の化学的および熱処理プロセスにさらした後。

曲げ強度

材料が機械的ストレスに耐え、破損しない能力を示します。この値は、kg/平方メートルまたはポンド/平方インチで表​​すことができます。

曲げ強度試験のメカニズムは非常にシンプルです。基板の端を支え、中央に荷重をかけることで試験できます。リジッド基板および多層基板の試験規格はIPC-4101です。

ヤング率

引張弾性率は、このモジュールの別名です。これは、回路基板上の材料の強度を表します。このモジュールは、特定の方向における応力とひずみの比を測定します。一部のメーカーは、曲げ強度ではなく、このモジュールを使用して強度を測定しています。引張弾性率は、単位面積あたりの力で表すことができます。

密度

回路基板の密度は、立方センチメートルあたりのグラム数で測定できます。また、メーカーによっては、ポンド/立方インチで表​​示している場合もあります。

層間剥離までの時間

この係数は、回路基板の層間剥離に対する耐性時間を示します。層間剥離は、熱衝撃、湿気、または材料のTgの不適切さによって発生する可能性があります。さらに、不適切な積層プロセスによっても発生する可能性があります。

PCB に適した PCB 基板材料を選択する最良の方法は何ですか?

市場には様々な種類のPCB基板が存在します。これらの基板は、厚さや強度がそれぞれ異なります。そのため、回路基板に最適な品質の基板を見つけるのは非常に困難です。さらに、十分な知識がなければ、適切な基板を見つけることさえ困難になります。

ニーズに合った適切なPCB基板の種類を選択するのは、それほど難しいことではありません。基板の選択基準は既にご理解いただけたと思います。以下の点を考慮する必要があります。

• 熱特性
• 電気的特性
• 化学的特性
• 機械的性質

これらの特性を理解していれば、回路基板に高品質の基板を選択できます。さらに、基板の厚さも考慮する必要があります。

基材の特性に加えて、基材の重要な特性も考慮する必要があります。以下に重要な特性をいくつか挙げます。

PCB基板材料の種類

回路基板は上層と下層の2層の材料で構成されています。上層は反応など多くの用途で非常に重要であり、回路基板の設計はそのフィルムに依存します。

同様に、下層基板も設計に大きく貢献しています。基板市場は世界中で約51万平方メートルと推定されており、各企業は様々なタイプのPCB基板を使用しています。

ほとんどのメーカーは、この材料をエポキシと混合しています。しかし、BT混合物と混合しているメーカーもあります。多くの企業は、誘電体材料の異なる代替層を使用しています。強化の有無にかかわらず、使用しています。

基本的な PCB 基板の種類は次のとおりです。

不織布ガラス

基板にガラスマイクロファイバーを拡散させた構造で、高周波特性に優れています。ただし、不織布ガラスの分散係数は高くありません。

織りガラス

これは、PCB基板としてよく使われる種類の1つです。この基板は織りガラスクロスを基本材料としていますが、熱安定性と機械的安定性が低いため、あまり適していません。

埋め

特定の範囲の誘電率を持ちます。セラミックなどの他の材料では、誘電率が高くなります。

基板の選定には様々な方法がありますが、最も重要なのは、メーカーの熟練したエンジニアリングチームのサポートを受けることです。

さらに、基板は次の 4 つのカテゴリに分類できます。

ハードボード

メーカーは、回路基板の形状を長さに合わせて維持するためにこれを使用します。セラミックベースの回路基板の場合、回路基板が曲がったり、他の形状になったりするのを防ぎます。

ソフト/フレキシブルボード

柔軟性が高いため、様々なプロジェクトに活用できます。あらゆる物体や形状に変形させることができます。メーカーは、物体を曲げる必要がある場合にこのタイプを使用します。そのため、フレックスボードはそのような状況に最適な選択肢です。

フレックスリジッド PCB

さまざまな状況に応じて、企業はフレキシブルボードとリジッドボードを組み合わせて製造しています。 フレックスリジッドPCBポリイミドなどの多層構造で、主に航空宇宙および軍事用途で使用されています。さらに、様々な医療機器にも使用できます。

FR-4

グラスファイバーエポキシ積層板は、現在最も手頃な価格で一般的な基材です。FR（難燃性）とは、難燃剤（Fire Retardant）の略称で、優れた断熱材です。この素材には、反応性のないハロゲンである臭化物が多量に含まれています。

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この詳細な記事をお読みいただければ、PCBの要件についてご理解いただけたかと思います。また、基板を選ぶ際に考慮すべき要素についてもご理解いただけたかと思います。この記事は、製品に最適な高品質のPCB基板材料を選択する上で非常に役立ちます。最高品質の基板は、高品質で長寿命な効果をもたらします。

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