PCB材料選択におけるDFM

設計を始める際には、PCBスタックアップに現れる材料を選択し、レイアウトとルーティングをサポートするためにスタックアップ内の層を配置することが重要です。このPCB製造およびDFMクラッシュコースのセクションでは、PCB設計に適した材料を選択することに焦点を当てます。材料は、仕様で概説された特定の設計要件を考慮して選択されるべきです。

新しいデザイナーのための簡潔さを考慮して、PCB設計に最も一般的に使用される材料クラスであるFR-4に大きく焦点を当てます。

基本的な材料選択プロセス

材料を選択する前に、デザインに含める前に製造業者がそれらを在庫している必要があることを注意することが重要です。特定のタイプの材料が必要で、PCBスタックアップでこれらに特定の要件がある場合は、製造業者に連絡して、これらの材料または互換性のある代替品を在庫しているか確認するべきです。すべての製造業者が可能なすべての材料を取り扱っているわけではなく、すべての材料と互換性のあるプロセスを持っているわけではありません。さらに、スタックアップにどんな材料も好きなように組み合わせることはできません。標準プロセスで製造可能な設計を作成するためには、製造業者に連絡して指導を受けることが重要です。

IPCは、IPC-4101およびIPC-4103の基準において、材料の互換性要件を定義しています。これらの基準は、ラミネート製造業者に対して、特定の材料特性と加工要件をリストした「スラッシュシート」を作成することを要求しています。ラミネート製造業者は、これらのスラッシュシートのいずれかに準拠するように材料を設計します。これにより、製造業者は二つの材料が互換性があり、互いに代替可能であるかどうかを即座に知ることができます。

• IPCスラッシュシートとIPC-4101/IPC-4103基準についてもっと学ぶ

PCBを設計する際には、独自の設計ニーズに基づいて考慮すべきいくつかの材料選択肢があります。材料を選択する前に、ボードが満たす必要がある機能性と信頼性の要件を最初に定義することをお勧めします。以下のフローチャートは、典型的な材料選択プロセスを示しています。

PCB材料特性の詳細

PCBに関連する材料特性は、三つのカテゴリーに分けられます：

• 電気
• 熱
• 機械

電気材料は、多くの設計者が特定のインピーダンス目標（高速設計の場合）、信号または電力損失目標（高周波設計の場合）、耐電圧（高電圧設計の場合）、またはこれらの組み合わせを目指しているため、最も注目される部分です。電気材料は重要ですが、DFM（設計製造統合）の考慮事項として、機械的および熱的特性も製造業者によって知られている必要があります。これにより、製造プロセスでこれらを適応できます。

エッチングされた回路基板を製造する製造所は、選択した材料をプロセスにどのように組み込むかを知る必要があります。もし自分で材料を選択する場合、製造所に直接連絡してスタックアップを評価してもらうのが最善です。設計したスタックアップを製造できない場合、彼らはしばしば代替材料セット、代替スタックアップを提案することができますし、標準化されたスタックアップを提供することもよくあります。

• 製造業者にスタックアップ要件を指定する方法をさらに学ぶ

電気要件において最も重要な特性は、電気強度、誘電率、および耐湿性です。以下の表を参照して、より一般的な材料とそれらの関連する特性値のリストを確認してください。高電圧設計や高周波設計など、特殊な要件がある場合は、電気特性についてより具体的なデータを得るために製造業者に相談してください。

高い信頼性が求められる設計の場合、硬化剤と樹脂の含有量は他の重要な要因の2つです。これは、PCBレイアウト内の導体間の大きな間隔を確保できない高電圧設計に特に当てはまります。PCBラミネート材料に使用される2つの一般的な硬化剤は、DICYとフェノール系硬化剤です。高電圧レイアウトでは、硬化剤が導電性アノードフィラメント化（CAF）故障に耐えることができる剛性材料を生成することが知られているため、フェノール系が好ましいです。特殊な設計を持っている場合、信頼性を確保するために使用する材料システムについて製造業者の推奨を得ることが有益です。

銅箔の種類

プリント基板の積層材に使用される銅箔には、複数の種類があります。最も一般的なのは、製造とPCB積層への適用が容易な電解銅（ED）箔です。ほとんどの材料はこのタイプの銅を使用します。積層材に使用される銅の種類は、設計者が異なる積層材と自由に組み合わせることができるものではありません。積層材を選択する際、その積層材にはほぼ常に単一の銅の種類が付属しており、代替品に交換することはできません。

例外の一つは、高周波PCB用のPTFEベースの材料です。これらの材料のベンダーは、一般に高周波設計で使用されることを知っているため、異なるタイプの銅を複数のオプションで提供する傾向があります。これらの材料で使用されるもう一つの標準的な銅のタイプは、ロールドアニール銅（RA）として知られていますが、高周波PCBの積層材には、非常に滑らかなプロファイルを持つ表面処理された銅も使用されることがあります。

• PCB積層材の銅の種類についてもっと学ぶ

メーカーは通常、選択できるさまざまな種類の箔を提供します。最も一般的なのは電解銅箔とロールド銅箔です。リジッドボードは通常、電解銅箔を使用し、リジッドフレックスボードはロールド銅箔を使用します。

銅の重さ

銅は特定の厚さでPCBラミネートに配置されますが、これは通常、oz./sq. ft.の銅の重さとして指定されます。ほとんどの回路基板で見られる典型的な銅の重さの値は、0.5または1 oz./sq. ft.です。より重い銅の重さが必要な場合、回路基板製造工場はより厚い銅を使用できる材料を持っている必要があるか、必要な厚さまで銅を堆積させるめっき処理を使用する必要があります。

銅の重さは製造に影響を与えますが、トレースが運ぶ電流の量に応じて、PCBの平衡温度にも影響を与えます。銅トレースにはある程度の直流抵抗があるため、それによって発生する電力損失が熱に変換されます。その結果、より広いトレースはより高い電流運搬能力を持つことができます。

以下のグラフのペアは、一般的な銅の厚さと周囲温度より上の温度レベルにおける内層の電流容量を理解するための参考として使用できます。これらのグラフは、近くに他の銅がない標準のFR-4グレードのラミネート上のトレースを想定しています。上のグラフの各線は、x軸とy軸に沿って見られるトレース領域と電流値の各ペアに対して、周囲値以上の温度上昇を期待することを示しています。

この画像の使用方法を説明する2つの例を挙げます:

• 赤い曲線：この曲線は、1 oz./sq. ft.の銅で作られた約140 mil幅のトレースが、3 Aを流す場合、約10度の温度上昇が見込まれることを示しています。
• 赤い曲線：この曲線は、0.5 oz./sq. ft.で作られ、トレース幅が約40 milsのトレースが、1 Aの電流を流す場合、約30度の温度上昇を経験することを示しています。

ここで重要な点があります：これらのグラフは非常に保守的であり、実際の運用中にボードで期待される温度を過大評価する可能性があります。関連するトレースの下に銅面層を配置するか、トレースの周りに銅を流すことで、トレースとボード全体の温度を下げるのに役立ちます。これは、PCBを製造する能力に影響を与える複数のPCBレイアウト要件の一つです。

• パート3へ進む：PCBレイアウトにおけるDFM

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