プリプレグ材料とPCBコアの違い：設計者が知っておくべきこと

PCBの材料選択や製造プロセスについてもっと知りたいというデザイナーからの質問を時々受けます。私は製造業者ではありませんが、新しいプロジェクトに取り組む際に利用可能な材料について何かを理解することは、デザイナーにとって有益です。PCBのコアとプリプレグ材料の正確な違いについて質問を受けることがあります。これらの用語は、時には初心者のデザイナーを含めて、交換可能に使用されることがあります。私もこれに該当することを認めます。

プリプレグとコアの違いが明確になったら、どのような材料を使用すべきか、重要な電気パラメータはメッキ、エッチング、硬化中にどのように変化するのか？GHz周波数で作業する必要があるデザイナーが増えるにつれて、これらの材料上でトレースを適切にサイジングし、複雑な信号整合性の問題を避けるために、これらの点は非常に重要になります。

PCBデザインにおけるコアとプリプレグの違いは何ですか？

PCBのコアと積層材は似ているようで、いくつかの点で大きく異なります。コアは実質的に1枚以上のプリプレグ積層材であり、これらは圧縮され、硬化され、熱で硬化された後、両面に銅箔でメッキされます。プリプレグ材料は樹脂で含浸されており、この樹脂は硬化されますが、未硬化の状態で残されます。ほとんどのメーカーは、プリプレグをコア材料を一緒に保持する接着剤として説明しています。プリプレグ積層材の各側に2つのコアが積み重ねられ、その積層体を熱にさらすと、樹脂が隣接する層に結合し始めます。硬化した樹脂は徐々にクロスリンキングを通じて硬化し、その結果としての材料特性はコア層のそれに近づき始めます。

樹脂材料はガラス繊維を包み込み、このガラス繊維の製造プロセスは糸を製造するのに使用されるプロセスと非常に似ています。ガラス繊維は非常に密集している場合（例：7628プリプレグ）もあれば、緩い場合（例：1080プリプレグ）もあり、これは製造中に織機で制御されます。糸の隙間と全体的な均一性は電磁特性を決定し、これが信号がボード内で見る分散、損失、および任意のファイバーウィーブ効果の原因となります。

FR4 PCBコア/プリプレグ織物とその重要な材料特性。出典：Isola Group。

PCBコアとプリプレグ材料は、レジンの含有量、レジンの種類、ガラス織物によって、異なる誘電率を持つことがあります。これは、トラック上の信号によって見られる実効誘電率が周囲の材料の誘電率に依存するため、非常に正確なインピーダンスマッチングが必要なボードを設計する際に問題となることがあります。すべてのプリプレグとコア材料が互換性があるわけではなく、誘電率が大きく異なるコア/プリプレグのスタックは、相互接続における正確な誘電率と損失を予測することを難しくします（下記参照）。

任意のPCBコアまたはプリプレグ材料において、高電圧での漏れ電流とクリープ電流は懸念されます。銅の電気移動とその後の導電性フィラメントの成長は、FR4材料のクリープ仕様の一因です。この問題、およびガラス転移温度と分解温度を上げる願望は、FR4コアとラミネートで非ジシアンジアミド（非DICY）レジンへの切り替えを促しました。フェノール樹脂は、DICYレジンと比較して、完全硬化後の高い分解温度とガラス転移温度を提供すると同時に、より高い絶縁抵抗を提供します。

異なるコアとプリプレグ材料の実効誘電率

コアとプリプレグ材料の明らかな構造的変化により、信号整合性の観点から誘電率と損失角の正確な値を得ることが重要です。信号の立ち上がり時間が短い場合、マーケティングデータシートから値を取ることができるかもしれません。しかし、膝周波数やアナログ信号がGHz範囲に達すると、データシートから引用された値に注意が必要になります。特に、インピーダンス制御ルーティングを使用して相互接続の挙動をモデリングする場合はそうです。

データシートの値の問題は、実際に測定される誘電率はテスト方法、ルーティングの形状、特定の周波数（特にGHz範囲）、樹脂含有量、さらには材料の厚さに依存するためです。ジョン・クーンロッドは、最近のポッドキャストでこの問題について広範囲にわたって議論しています。異なるPCBコア/プリプレグ材料の織りパターンは、それらを非常に不均一で異方性のあるものにしており、重要な材料特性が空間内および異なる方向に沿って変化することを意味します。これが、スキューやファイバー空洞共振などのファイバーウィーブ効果が存在する理由です。

あなたは思うかもしれませんが、なぜラミネートの厚さが材料特性を特徴づける際に重要なのでしょうか？その理由は、信号の挙動を特徴づける重要なパラメーターが有効誘電率（これは複素数の量です！）であり、これは使用するトレースの寸法と層の厚さに依存するからです。マイクロストリップおよび対称ストリップライン伝送線に関するこれらの記事をご覧ください。

最後に、考慮すべきもう一つの重要なパラメーターは、特定のラミネート上の銅の粗さです。上記の2つの記事では、銅の粗さを仮定せずに、マイクロストリップおよびストリップライン伝送線のジオメトリーに対する有効誘電率値を提供しています。しかし、銅の粗さを考慮するために使用できる単純な線形近似があります：

銅の粗さを考慮した有効誘電率。出典：B. Simonovich, PCB伝送線インターコネクトモデリングの神秘を解明する、Signal Integrity Journal.

この方程式では、Hsmoothは誘電体の厚さを表し、Rzは10点平均粗さです。この値は積層板メーカーによって指定されるべきです。高速で設計しており、インピーダンス制御ルーティングが必要な場合、メーカーはこれらの値を提供できるはずです。モデリングには、粗さを記述するための正しいモデルを使用する必要があります。Signal Integrity JournalのBert Simonovichの記事を参照して、詳細を確認してください。

極端に高速/高周波で低信号レベルを扱い、高精度なインターコネクト特性が必要な場合、最良の方法はテストクーポンを作成し、標準測定を使用して有効誘電率を決定することです。テスト方法は、意図したインターコネクトのジオメトリに密接に一致するジオメトリを使用すべきです。これは前もっていくらかの作業を必要としますが、正確なテストと測定は、後端で不必要なプロトタイピングの実行を省くことができます。

異なるPCBコアとプリプレグ材料を選択する際、Altium Designer^®のレイヤースタックマネージャーが大いに役立ちます。標準化された幅広い材料に関する重要なデータを含む材料ライブラリにアクセスできるほか、特殊な基板材料の特定の材料特性を指定することもできます。これらの機能は、生産性を向上させながら、非常に特定のアプリケーションに設計を適応させることを可能にします。

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