FR-4は、ほとんどのプリント基板で使用される標準的な基材です。 織物状のガラスクロスとエポキシ樹脂からなる剛性複合材料で、通常は銅張積層板として供給され、片面または両面に銅配線を形成できます。

したがって、FR-4 PCBとは、FR-4基材上に作られた回路基板です。 電気絶縁性、機械的強度、耐熱性、製造のしやすさ、コストのバランスに優れています。このバランスの良さから、民生用電子機器から産業用コントローラーまで、幅広い用途で標準材料として使われています。ただし、あらゆる周波数、温度、熱性能の要件に最適とは限りません。

FR-4とは何を意味するのか？

FR-4は、難燃性のガラス繊維強化エポキシ積層板のグレードを示す名称です。この用語は、しばしば次のようにも表記されます FR4, FR-4、または FR4 PCB。いずれも一般に同じ材料群を指します。

この名称は、一般に次のように解釈されています。

  • FR：難燃性
  • 4：材料グレードの区分

FR-4を「耐火」材料と混同しないでください。所定の試験条件下で着火しにくく、炎の広がりを抑えるよう設計されていますが、過度の熱、電気的な故障、または持続的な炎によって損傷するおそれがあります。

FR-4 PCBは何でできているのか？

一般的なFR-4 PCBは、複数の層で構成されています。

層または材料役割
銅箔配線、パッド、プレーン、および電気接続を形成する
FR-4コア剛性のある構造的な支持と電気絶縁を提供する
プリプレグ多層基板を積層するために使われる、樹脂とガラスの接着層
ソルダーマスク銅を保護し、はんだブリッジの発生を防ぐ
シルクスクリーン部品、ラベル、実装情報を示す
表面処理露出した銅パッドを保護し、はんだ付け性を高める

2層基板では、銅箔がFR-4コアの両面に接着されています。多層基板では、複数の銅層、コア、プリプレグシートを熱と圧力で一体にプレスし、剛性のある構造を作ります。

織物状のガラスクロスは、強度と寸法安定性をもたらします。エポキシ樹脂はガラス繊維を結合し、銅層を絶縁するとともに、積層板に化学的特性と熱的特性を与えます。

FR-4が広く使われている理由

FR-4は、実用的なエンジニアリング上のバランスを実現することから、PCBの主流基材となりました。

優れた機械的性能

ガラス繊維の補強により、FR-4は剛性と耐久性に優れています。多くの低コストな紙ベースの積層板よりも、通常の取り扱い、組み立て、取り付け時の応力に耐えます。

優れた電気絶縁性

FR-4は銅層や配線を電気的に絶縁します。そのため、幅広い低電圧用途や一般的な電子機器用途に適しています。

十分な耐熱性

標準的なFR-4は、基板が適切に設計・加工されていれば、通常のはんだ付けや組み立て時の温度に耐えられます。高TgのFR-4グレードは、鉛フリーリフロー、複数回のはんだ付け、または高温環境での使用時に生じる熱変形への耐性を高めます。

コスト効率の高い製造

FR-4は広く入手でき、ほぼすべてのPCBメーカーが対応しており、標準的な穴あけ、めっき、画像形成、エッチング、ソルダーマスク、実装の各工程に適合します。

柔軟な積層構成

FR-4は、片面、両面、多層のPCBに適しています。幅広い厚さ、銅箔厚、ビア構造、インピーダンス制御積層構成に対応します。

FR-4の主な材料特性

FR-4は単一の厳密な材料ではありません。積層板メーカーや製品グレードによって、特性に大きな違いが生じることがあります。設計性能が重視される場合は、選定した積層板の正確なデータシートを必ず確認してください。

ガラス転移温度（Tg）

Tg とは、エポキシ樹脂が硬くガラス状の状態から、より柔らかく柔軟な状態へ変化する温度範囲です。

Tgを超えると、材料の膨張が速まり、機械的な安定性が低下することがあります。高温に繰り返しさらされると、層間剝離、反り、スルーホールのバレル割れ、信頼性の低下のリスクが高まる可能性があります。

一般的な区分は次のとおりです。

  • 標準Tg FR-4： 一般に約130°C～150°C
  • 高Tg FR-4： 一般に約170°C以上

鉛フリー実装、多層基板、高温用途、および複数回のリフロー工程が必要な製品では、High-Tg FR-4がよく選ばれます。

分解温度（Td）

Td は、積層板が化学的に分解し始める温度です。一般に、Tdが高いほど、厳しい熱曝露に対する耐性が高いことを示します。

TgとTdは関連していますが、同じものではありません。Tgは樹脂の物理的な転移に関する値であり、Tdは材料の分解に関する値です。

誘電率（Dk）

Dk、または比誘電率は、信号の伝搬速度とインピーダンスに影響します。

FR-4のDkは、次の要因によって変動します。

  • 周波数
  • 樹脂系
  • ガラス織布の種類
  • ガラスと樹脂の比率
  • 温度
  • 吸湿率
  • 積層板メーカー

このばらつきがあるため、FR-4は多くのデジタル設計やRF設計には適していますが、要求の厳しいマイクロ波、ミリ波、または高精度の高周波用途にはあまり適していません。

誘電正接（Df）

Df は誘電損失を示します。高周波では、Dfが高いほど、信号エネルギーが熱として失われます。

中程度の周波数を使用するデジタル回路では、FR-4の損失は通常許容範囲内です。高周波RF、高速シリアルリンク、レーダー、または低損失マイクロ波システムには、専用材料のほうが適している場合があります。

熱膨張係数（CTE）

CTEは、加熱時に材料がどの程度膨張するかを示します。FR-4は、X-Y平面方向とZ軸（厚さ）方向とで膨張の度合いが異なります。

Z軸方向の膨張は、ビアやスルーホールめっきが繰り返しの熱サイクルに耐える必要があるため、多層基板で特に重要です。High-Tg材料や低CTE材料は、要求の厳しい用途での信頼性を高めるのに役立ちます。

吸湿率

FR-4は周囲の環境から水分を吸収することがあります。水分は、電気特性、誘電特性、はんだ付け性能、および実装時の熱応力に影響する可能性があります。

吸湿に敏感な用途や高信頼性が求められる用途では、保管、ベーキング、取り扱い、および実装の管理が重要です。

標準FR-4とHigh-Tg FR-4の比較

特徴標準FR-4High-Tg FR-4
主な用途一般的な電子機器高温用途または高信頼性が求められる基板
耐熱性通常の実装に適しているリフローの繰り返しや鉛フリーリフローにより適している
Z軸方向の信頼性多くの設計で十分向上することが多い
コスト通常は低い通常は高い
最適な用途民生機器、一般的な産業機器、標準的な多層基板高密度多層基板、自動車、産業機器、熱応力がかかる用途

High-Tg材料が必ず必要というわけではありません。基板のスタックアップがシンプルで、熱曝露が中程度、実装要件も一般的であれば、標準FR-4が最も経済的な選択肢となる場合があります。

熱応力、多層構造の複雑さ、鉛フリー工程、または実使用時の信頼性を考慮し、余裕を持たせる価値がある場合は、High-Tg FR-4を使用してください。

FR-4基板の厚さと銅箔重量

一般的なFR-4基板の厚さには、次のものがあります。

  • 0.4 mm
  • 0.6 mm
  • 0.8 mm
  • 1.0 mm
  • 1.2 mm
  • 1.6 mm
  • 2.0 mm

よく知られた 1.6 mm の基板は一般的ですが、必須というわけではありません。基板の厚さは、機械的な適合性、コネクターの形状、剛性、インピーダンス要件、熱的な要件、および筐体設計に応じて選定します。

銅箔重量も重要です。標準的な基板には1 ozの銅箔が使われることがありますが、大電流用途では2 oz、3 oz、またはそれ以上の銅箔が必要になる場合があります。

銅箔を厚くすると電流を流しやすくなり、熱を拡散しやすくなりますが、次の点にも影響します。

  • 配線幅と間隔
  • エッチング能力
  • 穴あけとめっき
  • 層構成の厚さ
  • コスト
  • ファインピッチ配線の選択肢

FR-4基板の用途

FR-4基板は、幅広い製品に使われています。

  • 家電
  • コンピューターおよび周辺機器
  • 家電製品
  • 産業用制御機器
  • 電源装置
  • LED照明
  • 自動車電子機器
  • IoTデバイス
  • 通信機器
  • 試験計測機器
  • 医療機器
  • 教育用およびホビー用プロジェクト

低周波から中周波のデジタル電子機器の多くでは、FR-4が妥当な出発点となります。

FR-4が適している場合

次のような要件がある場合は、FR-4基板を選びましょう。

  • 剛性、信頼性、経済性に優れた基板
  • 標準的なPCB製造および実装
  • 一般的なデジタル、アナログ、または低〜中周波RF性能
  • 一般的な材料を使用した多層配線
  • 優れた絶縁性と機械的強度
  • 幅広い供給元から入手可能
  • 一般的な電子機器に適した実績のある材料

材料特性で要件を満たし、特殊な基板に追加費用をかける技術的な理由がない場合、FR-4は特に魅力的な選択肢です。

FR-4が最適とは限らない場合

FR-4には限界があります。設計で次の要件のいずれかが必要な場合は、代替材料を検討してください。

超高周波または低損失のRF性能

マイクロ波帯やミリ波帯の周波数では、FR-4の誘電特性のばらつきや損失により、インピーダンスや信号の挙動を制御しにくくなることがあります。特殊なRFラミネートを使うと、より安定したDkと低い損失が得られる場合があります。

非常に高い熱伝導率

FR-4は、メタルコアPCB、アルミ基板、セラミック基板、銅コア設計と比べて断熱性の高い材料です。高出力LED、パワーモジュール、または発熱の大きい回路では、これらの代替材料によって熱管理を改善できます。

極端な温度または過酷な環境

自動車、航空宇宙、防衛、坑井内、または産業分野の一部の環境では、より高い熱安定性、低い膨張率、優れた耐薬品性、または特定の認証を備えた材料が必要です。

高電圧絶縁の要件

標準的なFR-4は多くの高電圧設計に適していますが、高電圧時のクリアランス、沿面距離、比較トラッキング指数、ラミネートの厚さ、湿度、汚染、および安全規格をすべて評価する必要があります。一般的なFR-4だけで絶縁設計の問題が解決すると考えてはいけません。

柔軟性

FR-4は硬質材料です。フレキシブル回路またはリジッドフレックス回路には、ポリイミド系のフレキシブル材料、または用途に適した別のフレキシブル基板が必要です。

FR-4と高速PCB設計

FR-4は、制御インピーダンス配線、DDRインターフェース、USB、Ethernet、PCIeなどのシリアルリンクを含む、多くの高速デジタル設計に対応できます。ただし、スタックアップと材料データを適切に管理する必要があります。

ただし、高速性能に敏感な設計では、「FR-4」だけでは仕様として広範すぎます。製造図面には、使用するラミネート材料系、または次のような性能目標を明記する必要があります。

  • 対象周波数におけるDkおよびDf
  • 目標インピーダンス
  • 層構成
  • 銅箔の厚さ
  • コアおよびプリプレグの構成
  • 高Tgの要件
  • 低損失材料の要件
  • 制御インピーダンスの許容差

特に高速なインターフェースでは、低損失FR-4のバリエーションで十分な場合があります。さらに厳しい設計では、適切な選択肢が特殊な高速用またはRF用ラミネートとなることがあります。

ガラス織布の影響

FR-4には、織られたガラス繊維布が含まれています。高データレートでは、樹脂とガラスが不均一に分布する領域の上を配線したトレースで、その長さに沿って誘電特性にわずかな差が生じることがあります。

これは ガラス織布効果と呼ばれます。非常に高速な差動ペアでは、タイミングスキューやインピーダンスのばらつきの一因となることがあります。

考えられる対策には、次のようなものがあります。

  • 重要な差動ペアをガラス織布に対して斜めに配線する
  • ガラス繊維の分散性を高めた積層板を使用する
  • 誘電特性がより均一な材料構成を選ぶ
  • 材料の選定と積層構成について基板メーカーと相談する

一般的な回路では、これが問題になることはほとんどありません。高速設計では、目立たないものの、予想以上に重要になることがある要素の一つです。

実践的なFR-4基板設計のヒント

  1. 材料グレードを意図的に指定する。
    基本的な基板なら「FR-4」で十分ですが、高信頼性製品や高速製品では、Tg、Dk、Df、または積層板の種類を明確に指定する必要があります。
  2. 慣例ではなく、用途に合わせて厚さを選ぶ。
    機械設計と電気設計に適している場合に限り、1.6 mmを使用する。
  3. 電流と発熱に合わせて銅箔の厚さを選ぶ。
    厚銅は電力供給に役立ちますが、配線間隔、製造性、コストに影響します。
  4. インピーダンスに敏感な信号には、管理された積層構成を使用する。
    基板メーカーに、明確なインピーダンス目標と材料データを伝える必要があります。
  5. 熱応力を考慮する。
    必要に応じて、高Tg材料、サーマルビア、銅プレーン、適切な部品間隔を使用する。
  6. 湿度と保管条件を考慮する。
    適切な取り扱いにより、実装上および信頼性上のリスクを低減できます。
  7. 設計を確定する前に、基板メーカーに相談する。
    材料の入手性、積層構成の選択肢、穴あけの制約、銅箔の厚さ、インピーダンス対応能力は、メーカーによって異なります。

最後のテイクアウト

FR-4は、ほとんどのリジッド基板の製造に使われる標準的なガラス繊維強化エポキシ材料です。FR-4基板は、この絶縁基材にパターン形成した銅層を組み合わせ、耐久性と製造性に優れた回路基板を実現します。

コスト、強度、絶縁性、耐熱性のバランスに優れているため、FR-4はほとんどの電子製品に適しています。重要なのは、FR-4を固定された単一の仕様ではなく、材料の種類として捉え、設計に合ったグレード、厚さ、銅箔の厚さ、積層構成を選ぶことです。