電子設計 - 回路基板の業界動向と重要性

FR‐4板の連続革新

要するに、回路基板の基板は主に銅箔、樹脂、補強材の3種類である。しかし、我々がさらに現在の基板を研究して、長年にわたるその変化を調べるならば、我々は基質内容の複雑さが想像できないとわかります。無鉛時代における基板の品質のための回路基板製造業者のますます厳しい要求のために、樹脂及び基板の性能及び仕様は、疑いなく複雑になる。基板供給者への挑戦は、最も経済的な生産利益を得るために様々な顧客ニーズ間の最良のバランスを見つけ、それらの製品データを参照としてサプライチェーン全体に提供することである。

FR - 4プレートの開発史の包括的な見方をして、長年にわたって、いくつかのオペレーターは、FR - 4プレートが使い果たされたと常に信じていました。仕様要件が増加するたびに、プレート供給元は顧客のニーズを満たすために懸命に働かなければならない。近年、市場の最も顕著な発展傾向は、高いTGプレートの需要の大きい増加です。実際、TGの問題に関する多くの演算子の理解は、高いTgが高い効率またはより良い信頼性を持っていることを示しているようです。本論文の主な目的の一つは，次世代FR‐4板に要求される特性がtgによって完全には表現できないことを説明することであり，鉛フリー溶接の課題を満たすために，より強力な耐熱性の仕様を提示することである。

2 .基板仕様をリードする業界動向

進行中の工業動向の数が市場を促進し、再構築プレートの採用。これらの傾向は多層板の設計動向，環境保護規則，電気需要である。

2.1 .多板の設計動向

現在，pcbの設計動向の一つは配線密度を向上させることである。この目標を達成するためには、3つの方法がある。まず、線幅および線距離を小さくすることで、単位面積当たりのより高密度の配線を収容することができる第2は、回路基板層の数を増加させることである最後に、溶接パッドの孔径とサイズを小さくする。

しかし、単位面積当たりに多くの線が分配されると、動作温度は上昇する。さらに、回路基板層の増加に伴い、完成した基板は同期的に厚くなる。さもなければ、それはオリジナルの厚みを維持するためにより薄い誘電層でプレスされることができるだけです。PCBを厚くすると，熱蓄積によるスルーホール壁の熱応力が増加し，z方向の熱膨張効果が増加する。より薄い誘電層を選択するとき、それは、より多くの接着剤含有量を有する基板およびフィルムが使用されなければならないことを意味するしかし、グルー含有量が多いと、貫通孔のZ方向の熱膨張と応力が再び増加する。加えて、貫通穴の直径を減少させることは必然的にアスペクト比を増加させるしたがって、メッキスルーホールの信頼性を確保するためには、基板の熱膨張が小さく熱安定性が良好でなければならない。

また、上記以外にも、回路基板の構成要素の密度が大きくなると、スルーホールのレイアウトがより密になる。しかし、これはガラス束の漏れをより緊張させ、孔ガラス間のベースガラスファイバにも架橋し、短絡をもたらす。この陽極糸状漏出現象（caf）は鉛フリー時代のプレートに関する話題の一つである。もちろん、新世代の基板は、鉛フリー溶接における頻繁な条件を避けるためにより良好なCAF抵抗を有する必要がある。

2.2環境保護規則

環境規制は、プレート仕様の定式化に影響を及ぼす欧州連合のRoHSとWEEE指令のような、政治的介入により、多くの追加の要件を追加する。多くの規則では、RoHSは溶接中の鉛含有量を制限する。錫鉛はんだは長年の組立工場で使用されてきた。その融点は183度であり、溶融溶接温度は約220℃である。鉛フリー主流半田（SAC 305など）の錫−銀−銅合金は、約217℃の融点を有し、通常、溶融溶接時のピーク温度は245℃と高い。溶接温度の上昇は、複数の溶融溶接に起因する熱衝撃に耐えるために、基板がより良い熱安定性を有することを意味する。

RoHS指令はまた、ポリビニルPBB及びPBDEを含むハロゲン含有難燃剤を禁止する。しかし、PCB基板の最も一般的に使用されている難燃剤、テトラフッ化ビスフェノールTBBAはRoHSブラックリストではない。しかしながら、加熱するとTBBAを含む板の不適切な灰化反応のため、いくつかのマシンブランドは、まだハロゲンフリー材料を採用していると考えている。

2.3電気要件

高速、広帯域、および無線周波数の適用は、より良い電気的性能、すなわち誘電率dkおよび損失係数dfを有するようにプレートを強制する。これらの電気的要件を満たす者は、同時に熱安定性に劣る必要がある。このようにすれば、市場の需要とシェアは増加する。

基質の重要な性質

鉛フリー市場で必要とされる熱安定性を考慮するためには，高温鉛フリー溶接に必要なガラス転移温度（tg），熱膨張係数ctes，亀裂抵抗温度tdを考慮しなければならない。

ガラス転移温度は樹脂基板の特性を評価するために最もよく用いられる重要な指標である。樹脂の所謂TGは、ポリマーがある温度範囲に加熱されると、室温での硬質ガラス状態（非固定固形物の総称）から、高温でのプラスチック及びソフト「ゴム状態」に変化することになる。

すべての物質は温度変化によって膨張・収縮を変化させる。TGの前の基板の熱膨張率は、通常、低く、適度である。熱機械解析（tma）温度に応じた基板サイズの変化を記録できる。外挿によって、2つの曲線によって伸張された点線の交点を使用して、基板のTgである温度を示すことができる。tg前後の曲線の傾きの大きな違いは，プレートのz‐cteが完成板の信頼性に影響し，下流組立にとって重要であるため，いわゆる1 . 5±1 . 2の熱膨張率（ctes）という異なる熱膨張率を示した。なお、熱膨張が小さい貫通孔銅壁も応力が少ないので信頼性も良好でなければならない。しかし，tgはかなり一定の温度点であると一般に考えられている。実際には、曲線ラジアンによると、プレートの温度がTG付近で上昇すると、その物理的性質が大きく変化し始める。

図1。これは試料のtgを測定するtmaの記述である。試料の昇温中にZ軸板厚が次第に増加すると，熱膨張曲線が室温ガラス→δ±1 cte傾斜から変化すると，高温ゴム状態←±2 cTE斜面に遷移すると，遷移状態に対応する温度範囲はtgである

TMA試験法に加えて、示差走査熱量測定（DSC）もあり、動的熱機関解析TGは2つの方法で測定することができる。tmaと異なり，dsc解析は温度変化に対応したプレートの熱流量を測定する。吸熱・発熱はtg範囲で樹脂の温度上昇を変化させる。DSCによって測定されたTGは、通常TMA測定結果よりも約5℃高い。もう一つの動的熱機械解析法のDMAは、プレート・モジュラスと温度の関係を測定することで、15℃以上であり、IPC仕様はTMAの測定とより一貫性がある。

上記TMA熱分析装置は、仕上板のTgを測定することに加えて、完成したプレートを高温試験皿に配置し、T 260と称される260℃以上288℃、300℃の高温環境において、種々の仕上板のZ方向の耐熱割れ時間を監視することができる。T 288とT 300は短いため、複数の鉛フリー溶接においてプレートバーストとクラック層があるかどうかをシミュレートする。現時点では、IPC - 4101 Bは、上記3つのプラクティスは、鉛フリーのためにFR - 4プレートの主要な改革とみなされる仕様リストに含まれています。

3.2熱膨張係数の解釈

多くの文献は、高いTgが良好な樹脂品質を示すことを示しているが、これは必ずしも鉛フリー溶接の場合ではない。一般に、高いTgは、樹脂の急速な熱膨張の前に、初期温度を確実に遅らせ、その全体的な熱膨張は、プレートの種類によって異なる。tgの低い板の全体的な熱膨張も小さい。また、図2に示した3つの樹脂材料のCTEは、材料CのTgが材料Aよりも高いことを示している。2つの材料のCTEがTgの前後で同じであるならば、より高いTgを有する材料Bの全熱膨張は、材料Aよりも依然として低くなる。最終的に、材料BおよびCのTGは同じであるが、Tg後のCTEが低いため、Bの全体的な熱膨張は比較的小さい。

また、3枚の板のTgは175℃であるが、同じZ軸の熱膨張係数が異なるため、熱膨張率の差が生じる。図3の3つの材料の主な違いは、Tg≒2 CTeが互いに異なる熱膨張係数である。つまり、プレートの全体的な熱膨張係数が低いほど、スルーホール銅壁の信頼性を向上させるのに役立つ。

実際、これは必ずしもそうではありません！基板の他の重要な性質を議論する前に，tgとcteの関係を最初に説明しなければならない。高tg板の利点の一つはz軸熱膨張係数が低く，全体的な熱膨張が小さいことである。従って，tg後の急速熱膨張の悪現象を遅延させ，銅壁中の残留応力を減少させることができる。

しかし，いくつかの特殊な場合では，tgプレートのcteは，低いtg板の場合よりも大きい。したがって、プレートを選ぶとき、CTEを考慮に入れなければなりません。各プレートのTGは同じであるが、CTEも異なることがある。熱サイクル試験を行う場合は，貫通孔壁によって感じられる応力も異なる。図3の材料Cは、高いTgと低いCTEの二重の利点を同時に有する。