PCB基板材料の重要な熱特性

多くの設計者は、PCB基板材料を選択する際に、潜在的な信号整合性の問題に焦点を当てがちです。これは確かに理解できることです。高速/高周波デバイスは、信号の歪みを防ぐために、関連する帯域内での低損失とフラットな分散を必要とします。これは、PCB基板材料を選択する際の出発点となることがよくあります。しかし、誘電特性はラミネート材料の全てではありません。

PCB基板材料には、設計中に考慮すべき重要な熱特性もあります。すべてのボードが過酷な環境で使用されるわけではありませんが、そうであるものは、その寿命を通じて信頼性を保つ必要があります。高温、繰り返しの熱サイクル、湿気の吸収、低いガラス転移温度は、製造と運用の間に問題を引き起こす可能性があります。基板材料の適切な熱特性に注意を払えば、信号整合性と信頼性を確保できます。

PCB基板材料の特性に注意を払う

信号整合性は、PCB基板材料の誘電率に依存します。データシートからこれらの値を読み取る際の主な問題は、測定に使用された方法によって引用される値が異なることです。Jon Coonrodは、最近のポッドキャストでこの点について議論しています。これは熱特性にはあまり問題ではありません。PCB基板材料を選択する際に考慮すべきいくつかの重要な熱特性があります。

熱伝導率と熱抵抗

熱伝導率は、PCB基板材料の可能な特性の中で最も注目されるものの一つです（もちろん、損失正接の後で）。これは時々、熱抵抗と交換可能に使用されます。しかし、二つは関連しているものの、同じではありません。

熱伝導率は、電気伝導率の熱力学的な類似物です。これは、単位面積あたりの温度勾配に沿って熱が輸送される速度を定義します。PCB基板の熱抵抗は、関連する量、つまり有効熱伝導率に依存します。有効熱伝導率は、ボード上の各材料（銅、コア/プレプレグ、樹脂など）の個々の熱伝導率に比例します。データシートは、裸の積層材料の熱伝導率を引用します。

もし、コンポーネントから熱を素早く逃がす必要がある場合、より大きな熱伝導率が必要です。FR4の代替品の中には、はるかに高い熱伝導率を提供できるものがあります。セラミックスはその顕著な例で、ガラス繊維積層板に比べて非常に高い熱伝導率を持っています。メタルコア基板も優れた選択肢です。これらの材料は通常、高出力LEDボードに使用されます。

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熱膨張係数（CTE）

すべての材料は温度変化に伴って膨張または収縮します。CTE値は、材料の温度が上昇するときにその体積がどれだけ増加するかを定義します。4°C以下の水を扱っていない限り、CTE値は常に正です。銅の場合、熱膨張係数は約17 ppm/°Cですが、この値は異なる基板材料によって異なります。FR4の典型的な値は、基板表面に沿って11、基板表面に垂直に15です。セラミックスなどの他の材料は、CTE値の範囲が広い場合があります。例として、アルミニウムナイトライドはその高い熱伝導率で非常に有用ですが、CTE値はかなり低いです（4.3から5.8 ppm/°C）。

CTEは、高温時だけでなく、基板の温度が高低を繰り返しサイクルするときにも重要です。サイクリング中、基板は膨張および収縮し、これにより銅要素にストレスがかかり、基板と銅のCTE値の不一致が大きいほどこのストレスは大きくなります。導体および基板材料のCTE値はできるだけ近く一致しているべきです。

低アスペクト比のビアと比較的厚いトレースにおいては、CTEの不一致はそれほど問題ではありません。しかし、高アスペクト比のビアは、バレルの中央とネック部分で応力集中を経験し、ビアが割れた場合に導電経路を確保するために、より厚いめっきや充填が必要になります。HDIボードでは、サイクリングによる繰り返しの応力蓄積がビアネックの割れにつながることが知られています。

ガラス転移温度（Tg）

この量はCTEと関連しています。任意の材料のCTE値は、一般に温度が上がると増加します。ガラス転移はアモルファス（非晶質）材料で起こりやすく、材料の温度がそのガラス転移温度を超えると、材料のCTE対温度曲線の傾きが急激に増加します。これは、温度がTgを超えると、材料が温度変化に対してより大きな膨張を経験することを意味します。

ガラス繊維基板材料では、有用な温度範囲を広げ、ガラス転移を避ける方法の一つに、高Tg樹脂を使用した基板を使用することがあります。標準のFR4はTg値が約130°Cですが、高Tg樹脂を使用した基板ではTg値を約170°Cまで引き上げることができます。もし、低温時に基板と導体のCTE値が密接に一致しており、かつ、基板が高温で動作する場合は、より高いTg値を持つ基板を選択すべきです。

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ほとんどの基板は、標準の約130°CのTg値を超えて動作することはないでしょう。より重要なのは、温度の関数としてのCTEの安定性であり、高温での過度なCTE値は薄い導体により多くのストレスを生じさせます。もし、基板が頻繁に高温にサイクルされる場合は、導体のCTE値に近い、より安定したCTE値を選択することをお勧めします。

あなたの設計はバランスの取れた行為です

どれだけ望んでも、どの設計も全ての信号整合性と熱管理の要件を満たすわけではなく、妥協が必要になります。熱特性に関して言えば、一部のボードでは損失正接や誘電率よりも、高温への繰り返しサイクリングを優先させる必要があるかもしれません。高速、高周波、または高電圧で作業していない場合、誘電特性にあまり焦点を当てずに、信頼性を確保するために熱特性にもっと焦点を当てたいと思うかもしれません。

Altium Designer^®の高品質な設計ツールには、ここで紹介されている熱特性の標準値だけでなく、誘電特性のための広範なスタックアップ材料ライブラリが含まれています。これらのデータは、Altium Designerのプリレイアウトおよびポストレイアウトシミュレーションツールに簡単に取り込むことができ、熱管理戦略を迅速に分析する力を与えてくれます。また、コンポーネントデータの管理や生産準備のための幅広いツールにもアクセスできます。

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