PCBラミネート選定のためのFR-4材料特性

PCBにとって重要なFR-4材料特性は、基板が耐えなければならないものによって異なります。電気信号、実装時の熱、動作温度、電圧ストレス、湿気、機械的負荷などです。まず、誘電率と損失、熱膨張と安定性、絶縁性能、機械的要件を確認しましょう。

FR-4は、難燃性を備えたガラス繊維強化エポキシ材料の分類です。特定の配合や数値特性の組み合わせを示すものではありません。 銘柄が特定されたラミネートを選び、設計に関連する条件でそのデータを評価してください。

このガイドでは、これらの特性の解釈方法、候補となる構成の比較方法、そして技術部門と購買部門の双方が活用できる要件をPCBサプライヤーに提示する方法を説明します。

FR-4材料特性の概要

値、単位、試験条件をまとめた参考表

以下の例は、公表されている Isola 370HRの代表値であり、FR-4全般に適用される限界値でも、購入仕様として保証された値でもありません。試験方法は、同製品の 370HRデータシート.

特性	代表例	方法または条件	選定上の重要性
Tg	180°C	DSC、IPC-TM-650 2.4.25C	ガラス転移
Td	340°C	TGA、質量減少率5%；2.4.24.6	分解
T260 / T288	60 / 30分	銅除去後；TMA、2.4.24.1	層間剥離
Z軸CTE	45 / 230 ppm/°C	Tg未満 / Tg超；2.4.24C	厚さ方向の膨張
Dk / Df	4.17 / 0.0161	1 GHz；2.5.5.9	電気特性モデリング
熱伝導率	0.4 W/(m·K)	ASTM E1952；軸は特定されていない	熱流
絶縁破壊強度	54 kV/mm	2.5.6.2A	絶縁性スクリーニング
吸湿率	0.15%	2.6.2.1A	吸湿応答
曲げ強度	620 / 531 MPa	長手方向 / 幅方向、2.4.4B	機械的強度

DkとDfは無次元です。方向が特定されていない値を、シミュレーションですべての軸に適用してはなりません。

代表的なデータシート値と購入要件

代表値は、報告された材料性能を表します。購入要件は、受け入れるか不合格とするかの基準を定めます。

重要な特性については、限度値、測定方法、コンディショニング条件、および必要な証拠について合意してください。適合性が材料認定、証明書、または指定された試験のいずれによって示されるのか確認してください。納入されるすべてのPCBについて、データシートに記載されたすべての特性が測定されるとは限りません。

同様に、代表値を図面に転記しただけで、最小値として扱わないでください。提案する受入要件にサプライヤーが対応できることを確認してください。

FR-4の特性が一律に決まっていない理由

樹脂系、ガラス補強材、コア、およびプリプレグ

FR-4は、織りガラス補強材とエポキシ系樹脂システムを組み合わせたものです。樹脂配合、ガラスの種類、樹脂とガラスの比率が、最終的な材料に影響します。銅箔は、銅張積層板の構成における別個の要素です。

は コア材 硬化済みの積層板で、通常は銅張りの状態で供給されます。 プリプレグ は、部分的に硬化した樹脂と補強材からなり、積層時に各層を接着します。未硬化のプリプレグシートを完成した層として扱うのではなく、設計に必要な完成後の誘電体構成を指定してください。

Isolaの材料選定ガイダンスでは、樹脂、補強材、銅箔の特性が電気的性能に影響するとされています。したがって、積層板の選定はスタックアップとあわせて検討する必要があります。 Isolaの材料選定ガイダンス.

材料の呼称、IPC仕様、およびUL等級

これらの表示が示す内容はそれぞれ異なります。

• FR-4： 材料クラスを示します。
• メーカーおよび製品の呼称： 個別の積層板システムを特定します。
• IPC-4101仕様書： 指定されている場合に、適用される基材要件を示します。
• UL 94等級： 燃焼性試験における性能を示します。

IPC-4101は、構成や特性要件を含む、リジッド基板および多層プリント基板用の基材を対象としています。プロジェクトで必要な場合は、適用する改訂版および仕様書を指定してください。 IPC-4101の適用範囲と内容.

選定した材料と構成に必要な燃焼性等級を確認してください。燃焼性分類は、連続使用温度を示すものではありません。ULでは、燃焼性と長期熱評価は別々に扱われます。 ULの材料試験.

電気的特性：Dk、Df、および絶縁性能

周波数とスタックアップに応じたDkおよびDfデータの選び方

誘電率（比誘電率）は、静電容量、伝搬遅延、および伝送線路インピーダンスに影響します。 誘電正接損失正接とも呼ばれ、誘電損失を表します。

材料を比較する際は、周波数、試験方法、および構成をそろえてください。設計にあたっては、対象の周波数範囲においてサプライヤーが推奨するDk/Dfデータまたはモデルを確認してください。

伝送線路の 実効比誘電率 は、電界がどこを通るかによって決まります。たとえば、表面マイクロストリップでは、電界は基板内とその上方の領域の両方に広がります。そのモデルでは、積層板全体のDkだけでなく、形状も考慮する必要があります。

Dfだけでは、チャネル全体の損失を予測できません。導体損失、銅箔の粗さ、インピーダンスの不連続も影響します。そのため、あらゆるFR-4構成が不適切になる普遍的な周波数はありません。チャネル長と損失予算を評価してください。 Isolaの伝送線路および損失解析.

重要なネットを配線する前に、構成、完成後の誘電体厚、銅箔、電気モデル、およびインピーダンス目標について合意してください。スタックアップ全体の設計手順については、 インピーダンス制御PCB設計ガイド をご覧ください。

絶縁破壊強度、抵抗率、およびCTI

これらの特性は、それぞれ異なる絶縁性能を表します。

• 絶縁破壊強度： 規定の試験条件下における単位厚さ当たりの絶縁破壊電圧。
• 体積抵抗率および表面抵抗率： 材料内部または表面に沿った電流の流れに対する抵抗。
• 比較トラッキング指数（CTI）： 試験条件下で、絶縁表面に導電性のトラックが形成されることへの相対的な抵抗。

IPCでは、次の項目について個別の試験方法が定められています。 絶縁耐力 そして 体積抵抗率／表面抵抗率。ULでは、CTIを独立した評価項目として、 トラッキング抵抗.

データシートに記載された絶縁破壊値に基板厚を掛け、その結果を認定済みの使用電圧とみなしてはいけません。適用される間隔、環境条件、検証要件を含め、製品レベルで絶縁要件を確立してください。

熱特性：Tg、Td、膨張、熱流

Tg、分解、層間剥離時間、長期温度定格

Tgはガラス転移領域を示し、この領域では樹脂の剛性と膨張挙動が変化します。Tgは融点ではなく、完全な使用温度定格でもありません。DSCは熱容量の挙動から転移を測定し、TMAは寸法変化を調べます。結果を比較する際は、試験方法を揃えてください。 IPCのDSC試験方法, IPCのTMA試験方法.

Tdは熱分解に関する指標です。 質量減少の基準が重要です。IPCのTGA試験方法では、質量減少率2%および5%における温度が報告されます。一方の材料の2%値を、もう一方の材料の5%値と比較すると、誤解を招くおそれがあります。 IPCの分解温度試験方法.

T260およびT288は、指定された試験温度で層間剥離が生じるまでの時間を示します。 試験片の準備と銅の状態が結果に影響します。これらの測定値は、完成した実装品が何回のリフローに耐えられるかを示すものではありません。 IPCの層間剥離時間試験方法.

相対熱指数（RTI）は、長期的な熱劣化に関する指標です。 認定条件および製品全体の評価を踏まえて検討してください。ULの熱劣化試験は、短時間の熱特性評価とは別のものです。 ULの熱評価.

実務上は、想定される使用温度、はんだ付けプロファイル、リワーク時の熱曝露、信頼性要件を併せて検討する必要があります。Tgの値が高いだけでは、この評価を完了できません。

Tg以下およびTg以上におけるX/Y方向とZ軸方向のCTE

熱膨張係数は、温度による寸法変化を表します。X方向とY方向は基板面内、Z方向は基板の厚さ方向です。

各CTE値について、測定方向と温度範囲を確認してください。Tg以下で測定した係数は、転移温度をまたぐ温度変化全体を表すものではありません。また、ppm/°Cで表される係数と、指定温度範囲における百分率で表される全膨張量を区別してください。 IPCの熱膨張試験方法.

ビアの信頼性を評価する際は、基板厚、穴形状、めっき、想定される熱サイクルに加えて、積層板の厚さ方向の膨張も考慮してください。CTEは評価に用いる入力の一つであり、それ単独で信頼性を保証するものではありません。

熱伝導率と基板全体の放熱経路

熱伝導率は熱の伝わりやすさを表します。樹脂が熱曝露に耐えるかどうかとは別の問いに答える指標です。

部品が過熱する場合は、基板への取り付け、銅箔による熱拡散、サーマルビア、界面、気流、ヒートシンクの有無など、冷却経路全体を確認してください。Tgを高くするだけでは、放熱性の向上は確認できません。

シミュレーションでは、方向に適した材料データを使用し、銅は別途モデル化してください。パターン銅箔やビアを含む完成した多層基板に、積層板の熱伝導率をそのまま一律に適用することは避けてください。

機械特性と吸湿性：ほかに確認すべき項目

機械荷重がかかる基板では、 強度 と 剛性を区別してください。強度は荷重による破壊への抵抗を指し、弾性率は変形への抵抗を表します。基板厚、支持位置、取り付け荷重も機械的評価に含める必要があります。

強化積層板を比較する際は、試験方向を揃えてください。IPCの曲げ強度試験方法では、縦方向および横方向の試験片を明示的に要求しています。加工時やリワーク時の応力が問題となる場合は、銅箔の接着強度を別途評価してください。 IPCの曲げ強度試験方法.

吸水率も試験方法によって異なります。例示表で参照されている吸水試験方法では、調湿後、規定された24時間の浸漬を行い、質量増加を測定します。この結果は、あらゆる湿度環境での挙動を示すものではなく、完成した基板の電気的信頼性を証明するものでもありません。 IPCの吸水試験方法.

高湿度かつ電圧が印加される用途では、吸水データに加え、絶縁信頼性に関する該当データを求めてください。保管および組み立て前の取り扱い要件を、基板製造業者に確認してください。

例を用いた解説：FR-4のデータシートを読む

製品、版、構成、試験条件を特定する

仮想的なシナリオ： あるチームが、制御インピーダンス信号を用いる6層コントローラーを開発しています。提案されている2種類のコア構成は、積層板の製品名と公称厚さが同じです。購買部門から、両者を互換品として扱えるか問い合わせがありました。

技術者は文書の改訂版を記録します。370HR製品データシートは改訂E、別冊の構成表は改訂Cで、日付は2020年3月16日です。各数値は、それぞれの出典に結び付けたままにします。

共通の比較基準である1 GHzにおいて、構成表には次のように記載されています。

370HRコア構成	樹脂含有量	公称厚さ	Dk	Df
2116ガラスクロス 1枚	47%	0.102 mm	4.26	0.018
106ガラスクロス 1枚 + 1080ガラスクロス 1枚	60%	0.102 mm	4.00	0.021

これらは公表されている参考データであり、受け入れ限度値ではありません。独立した表には、これらの項目に対する試験方法は記載されていません。 Isola 370HR構成表.

比較可能な値と設計に使用できる値を判断する

この比較から、製品名と公称厚さが一致していても、電気的特性が同一とは限らないことが分かります。

技術面での対応は次のとおりです。

1. 実際に提案されている構成を確認し、該当する最新データを入手する。
2. 製造業者とモデルおよび完成時の寸法について合意する。
3. 変更を承認する前に、インピーダンスとチャネル性能を再計算する。
4. 承認した構成と代替品の使用条件を記録する。

製品レベルの表もこの比較も、それだけでは完成品のインピーダンスを予測するのに十分な情報を提供していません。また、この例は、どちらか一方の構成があらゆる場合に優れていることを示すものでもありません。選択は回路と積層構成によって異なります。

積層板の選定と代替品の評価方法

設計上の制約となる要件から始めます。次の表は実務的な評価の枠組みであり、あらゆる場合に当てはまる材料の推奨ではありません。

主な懸念事項	求める証拠	判断事項
インピーダンスまたは伝搬遅延	構成に固有のDkモデルと完成時の積層構成	配線パターンの形状と公差を確認する
チャネル損失	対象周波数帯域全体でのDf、銅箔プロファイル、チャネル解析	提案されている積層板を維持するか、低損失の選択肢を評価する
実装と熱サイクル	Tgの測定方法、Tdの判定基準、膨張、層間剥離データ、関連する認定	想定される熱曝露条件への適合性を確認する
放熱	方向別熱伝導率と完全な熱モデル	熱経路を改善するか、別の構成を評価する
絶縁性と湿度	必要な電気的特性と、関連する環境試験のエビデンス	製品レベルの絶縁要件への適合性を確認する
コストと供給継続性	提案材料、構成の入手可能性、納期、代替品に関する文書	文書化された調達方針を承認する

より幅広い代替品については、次を参照してください。 PCB材料選定ガイド .

代替品を評価する際は、次の2点を分けて考えます。 仕様を満たすこと と 検証済みの設計を維持すること。同じ最低要件を満たしていても、電気的特性や製造時の挙動が同一であるとは限りません。

基板にとって重要な特性に基づく比較を依頼してください。必要に応じて、構成、銅箔、試験方法、認定状況の変更を記録し、解析や認定をやり直す必要があるか判断します。購買部門には、承認、条件付き承認、却下のいずれかを明確に伝えてください。

FR-4基板の問い合わせに含める内容

効果的な問い合わせでは、製造データと、それだけでは伝えられない動作要件を組み合わせます。

1. 用途と環境： 機能、予想される基板温度、湿度、電圧ストレス、想定耐用年数。
2. 実装時の曝露条件： 予定しているはんだ付け工程、利用可能なプロファイル、および想定される手直し。
3. 基板構造： 層数、完成厚さと公差、銅箔の要件、および提案する積層構成。
4. 電気的目標： インピーダンス値と公差、関連する周波数範囲、重要な配線長、および損失または遅延の上限。
5. 材料要件： 指定メーカー／製品、適用される規格と改訂版、または材料の選択が可能な場合の測定可能な性能基準。
6. 受け入れ基準と文書： 必要な特性の上限・下限、試験方法、前処理条件、証明書、トレーサビリティ、および合意済みの試験報告書。
7. 代替品に関する方針： 代替品が認められるかどうか、および承認者。
8. 商業上の要件： 試作および量産の数量、納入目標、および供給継続に関する要件。

正確な材料がまだ決まっていない場合は、提案する積層板と構成をサプライヤーに明示してもらい、指定した要件への適合方法を説明してもらいます。

性能が重視される案件では、次のような問い合わせ文が役立ちます：

提案する積層板のメーカー、製品名、コアおよびプリプレグの構成、ならびに根拠となるデータシートの改訂版を明示してください。提示した要件からの逸脱があれば記載してください。承認済みの材料または構成を変更する前に、技術部門から書面による承認を得てください。

目的は、実際のPCB設計に即した合意済みの材料仕様を定めることです。積層構成、製造データ、および使用要件を添えて、次の内容をお送りください： LEADHUI PCBへのFR-4 PCBに関する問い合わせ.