PCB技術 - PCB材料選択：電気と製造要素

PCB材料を選択する際には、材料が全体の性能に影響を与えるため、設計に適切な選択をすることが重要です。製造段階に入る前に、熱と電気の特性が設計にどのように影響するかを理解することで、時間とコストを節約しながら最適な効果を得ることができます。

PCBスタック構造は、連続した順序で多層PCBを構築する。積層板は磁気コア、プリプレグ、銅箔からなる。通常、スタックは対称です。ほとんどの製品の板厚は62ミル未満です。

回路基板にはどんな材料が使われていますか。

PCB材料選択：電気と製造面の考慮

PCB材料：箔、芯及びプリプレグ

次の3つの項目を使用してプリント基板を製造します。

プリプレグ：B級材料、粘性があり、異なる積層板または箔を接着することができる

銅箔：プリント基板内の導体として使用する。

銅被覆積層板（コア）：プリプレグと銅箔による積層と硬化。

誘電体材料の基本特性

PCB積層板が誘電体材料で作られていることを知っています。積層板を選択する際には、使用する誘電体材料の様々な特性を考慮する必要があります。

熱性能：

ガラス転移温度（Tg）：ポリマー鎖がより流動性を有するようになるにつれて、ガラス転移温度またはTgは基板がガラス状態、剛性状態から軟化状態、変形可能状態に変化する温度範囲である。材料が冷却されると、その特性は元の状態に戻ります。Tgは摂氏度（°C）で表される。

分解温度（Td）：分解温度またはTdはPCB材料が化学分解される温度（材料損失の少なくとも5%の質量）である。Tgと同様に、Tdも摂氏度（°C）で表される。

熱伝導率（K）：熱伝導率、あるいはKと呼ばれ、材料の熱伝導の特性である、低熱伝導率は低熱伝導を意味し、高熱伝導率は高熱伝導を意味する。熱伝達速度はワット/メートル/摂氏度（W/M°C）単位で測定した。

熱膨張係数（CTE）：熱膨張係数またはCTEは加熱時のPCB材料の膨張率である。CTEは加熱摂氏度100万分の1（ppm）で表される。材料の温度がTg以上に上昇すると、CTEも上昇する。基板のCTEは一般的に銅のCTEよりずっと高く、PCBが加熱されると相互接続の問題を引き起こす。

電気特性：

誘電率（ErまたはDk）：材料の誘電率を考慮することは信号完全性とインピーダンスを考慮する上で非常に重要であり、これは高周波電気性能の重要な要素である。ほとんどのPCB材料のErは2.5〜4.5の範囲にある。

データテーブルの値は、材料中の特定の（通常は50%）樹脂含有率にのみ適用されます。芯材またはプリプレグ中の樹脂の実際の割合は組成によって変化するため、Dkも変化する。押出プリプレグの銅の割合と厚さは最終的に媒体の高さを決定する。誘電率は一般的に周波数の増加とともに減少する。

損失正接（tan Isla´）または損失係数（Df）：損失正接または損失係数は誘電体中の抵抗電流と無効電流の間の位相正接である。誘電損失はDf値の増加とともに増加した。Dfの値が低いと「速い」基底が生成され、値が大きいと「遅い」基底が生成される。Dfは周波数に応じてわずかに増加し、Df値が非常に低い高周波材料では、周波数による変化が非常に小さい。この値の範囲は0.001～0.030です。

正常速度と損失：正常速度材料は最も一般的なPCB材料−FR−4シリーズである。それらの誘電率（Dk）と周波数応答は平坦ではなく、より高い誘電損失を持っている。そのため、それらの適用性は数GHzのデジタル／アナログ応用に限られている。この材料の一例はIsola 370 HRである。

中速と損失：中速材料はより平坦なDkと周波数応答曲線を持ち、誘電損失は通常速度材料の約半分である。これらは、〜10 GHzまでの周波数に適している。この材料の一例はNelco N 7000-2 HTである。

高速低損失：これらの材料はまた、より平坦なDkと周波数応答曲線、および低誘電損失を有する。他の材料に比べて、有害な電気ノイズも小さくなります。このマテリアルの例はIsola I-Speedです。

非常に高速で非常に低い損失（RF／マイクロ波）：RF／マイクロ波用途に使用される材料は、最も平坦なDkと周波数応答、および最小の誘電損失を有する。これらは、20 GHzまでのアプリケーションに適しています。この材料の一例はIsola I-Tera MT 40とTachyon 100 Gである。

信号損失と動作周波数

PCB材料は高周波回路の信号完全性に影響を与える。正しいPCB基板と銅箔を選択することで、回路基板上の減衰を最小限に抑えることができます。PCBにおける信号損失について述べるとき、この2つの材料は非常に重要な役割を果たしている。信号損失には誘電損失と銅損失が含まれる。

ゆうでんそんしつ

誘電体材料は分極分子からなる。これらの分子は、信号軌跡上の時変信号によって生成された電界中で振動する。これにより、誘電体が加熱され、信号損失における誘電体損失部分が生じる。この信号損失は周波数の増加とともに増加した。より低い散逸因子を有する材料を使用することにより、信号損失を最小化することができる。周波数が高いほど、任意の材料の損失が大きくなります。これは絶えず変化する電磁場によって誘電体材料中の分子が振動するためである。分子の振動が速いほど損失が大きくなる。

どうそんしつ

銅損失は本質的に導体を流れる電流と関係がある。電子は導体の中心を常に流れるわけではないかもしれない。銅のトレースがニッケルでできている場合、ほとんどの電流はニッケル層を流れることができます。周波数が増加するにつれて、表皮効果の損失はさらに大きくなるだろう。これは、トレースの幅を増やすことによって補償することができ、逆に大きな表面積を生成することができます。広い痕跡は常に低い表皮効果損失を有する。銅箔−誘電体−歯界面の輪郭は有効長さを増加させ、それによって銅損失を増加させる。常に薄い銅または非常に薄い銅を使用することをお勧めします。

PCB材料をよりよく選択するために、下表は信号損失特性に基づいて基本材料を異なるカテゴリに分類した。

PCB材料選択：電気と製造面の考慮

10 GHz損失正接のPCB材料種別比較

左側にはFR-4のような材料があります。これらは標準的で扱いやすい日常的な材料であり、あらゆる用途に使用できます。しかし、それらも損失が最も大きい積層板である。他にも多くの電気的および機械的な問題が存在する可能性があります。Isola I−speed、Isola Astra、Tachyonなどの材料は高周波で低損失を示している。

銅箔選択

以下は、銅箔を選択する際に考慮しなければならないいくつかの特性です。

銅の厚さ：典型的な厚さ範囲は0.25オンス（0.3ミル）〜5オンス（7ミル）である。

銅純度：銅箔中の銅のパーセンテージを指す。電子級銅箔の純度は約99.7%である。

銅誘電体界面輪郭：薄型は高周波で低信号銅損失を有する。

銅箔タイプ

電気めっき銅：この銅は垂直な結晶粒構造とより粗い表面を持っている。電気めっき銅は通常剛性PCBに用いられる。

圧延銅：重ロール間で加工することにより製造された非常に薄い銅であり、フレキシブルPCBの製造に広く使用されている。圧延銅は水平テクスチャ構造とより滑らかな表面を有し、これにより硬柔軟性と柔軟性PCBの理想的な選択となる。

PCB材料選択のベストプラクティス

熱膨張整合係数（CTE）：CTEは基板の最も重要な熱特性である。基板の部品が異なるCTEを有する場合、それらは製造中に異なる速度で膨張する可能性がある。

コンパクトなインフラストラクチャを選択：コンパクトなインフラストラクチャのDk分布は均一になります。

高周波応用にFR（難燃剤）4を使用することを避ける：これはその高誘電損失とより急峻なDkと周波数応答曲線のためである。（1 GHz以下の周波数に対して）。

吸湿性の低い材料を使用：吸湿性とは、PCB材料（この場合は銅）が水に浸漬したときに吸水に抵抗する能力を指す。これは標準的な試験方法に基づいて、制御された条件下で吸水によるPCB材料の重量増加の割合である。ほとんどの材料の吸湿値は0.01%〜0.20%の範囲である。

常に抗CAF材料を使用する：導電性アノードワイヤ（CAF）は電気化学移動過程によって形成されたワイヤであり、PCB故障を引き起こすことが知られている。抗CAF材料の使用はCAFの形成と故障を防止する最も有効な方法の1つである。