PCB用FR-4材料はすべて同じではありません

PCB業界では、「FR-4」は積層材料を表す一般的な呼称として使われています。ある意味では、FR-4を特定の積層材の種類だと捉えること自体が、業界全体に広まった数ある誤解の1つです。本ブログでは、FR-4という用語の歴史、実際に何を意味するのか、それに関連するさまざまな特性値、そして設計に適した積層材を選定する際に考慮すべき特徴について解説します。

FR-4の起源

FR-4という用語を調べると、ほとんどすべての情報源で、ガラス繊維強化エポキシ積層材と定義されています。要するに、Wikipediaでの定義は次のとおりです。

FR-4は、ガラス繊維強化エポキシ積層材に対するNEMA（National Electrical Manufacturers Association：全米電機工業会）の分類です。FR-4は、織ガラス繊維布にエポキシ系樹脂バインダーを組み合わせた複合材料であり、難燃性（自己消火性）を備えています。

このFR-4の定義は業界内で非常に広く浸透しているため、PCB製品の開発に関わる多くの人が、この意味でFR-4を積層材の名称として使っています。

しかし実際には、FR-4は積層材料そのものではなく、これまで一度もそうであったことはありません。むしろ、これはULの分類であり、「難燃等級4」を意味します。PCBの歴史をさかのぼると、かつて積層材の選択肢はポリイミド系とエポキシ系の2つしかありませんでした。航空宇宙向け製品を開発する場合は、より高温に耐えられる樹脂系であるポリイミドを使用していました。ただし、これには多くの欠点があります。高価で、製造が難しく、さらに大きな問題として吸湿性があります。つまり、ポリイミドで作られた基板は、深刻なリークの問題を防ぐために乾燥ベーキングを行い、その後で保護コーティングを施す必要があります。

もう1つの「元祖」材料がエポキシです。エポキシは低コストで製造しやすく、最も一般的に使われる樹脂の1つでした。ただし、この材料は高温に耐えられません。そのため、はんだ付け工程中に軟化し、反りが発生しやすくなります。また、「エポキシ」という言葉も単一の特定樹脂を指すのではなく、積層材の一群を指す分類です。

この2つの当初の積層材オプションを前提にすると、FR-4は基本的に「ポリイミドではない」という意味でした。しかし、だからといってすべてのFR-4基板が同じというわけではありません。実際には、いずれも「FR-4」の条件を満たしながら、外観、性能、コスト帯の位置づけが異なる50種類の基板を作ることさえ可能です。

業界が純粋なエポキシ系材料を超えて発展した後も、新しい樹脂系がポリイミドではないという理由で、FR-4という呼称はそのまま残りました。たとえば、エポキシ系システムの弱点を補うために、現在では温度特性の異なる複数のエポキシ配合が存在します。その1つが「High-Tg FR-4」として知られており、エポキシ系基板に関連する低いTg（ガラス転移温度）の問題に対処しています。

本当に重要なこと

銅箔や織ガラス補強材に加えて、樹脂系はPCB材料システムの主要構成要素の1つです。そして樹脂系の中でも、最も重要な特性の1つが誘電体（絶縁体）です。インピーダンスや波の伝搬速度に影響を与える誘電体の特性は、比誘電率（er）です。表1に示すように、この特性は樹脂含有量と測定周波数の両方によって変化します。

表1. 代表的なHi Tg FR-4積層材システムの特性

人々が「FR-4」という言葉を使うとき、すべてのFR-4材料に共通の比誘電率があると想定しがちです。具体的には、FR-4とは材料のerが4.7であることを意味すると考えています。しかし、このer値は30年前のものであり、現在では当てはまりません。それでもこの思い込みが、多くのインピーダンス不一致の原因となってきました。表2には一般的に使用される積層材のer値を示していますが、そのどれも4.0を大きく超えていません。その他の重要な情報としては、損失正接Tan (f)、DBV（絶縁破壊電圧）、WA（吸水率）があります。

表2. 複数の一般的なPCB材料システムの特性

• Tg = ガラス転移温度
• WA = 吸水率
• DBV = 絶縁破壊電圧
• Tan (f) = 損失正接
• er = 比誘電率

すべての材料には、Teflonを除いて織ガラス補強材が含まれています。

設計に最適な積層材を指定する

業界が長年抱えてきた問題の1つは、材料のデータシートに、製品開発者が設計の性能要件に基づいて積層材を選定するために必要な情報が、歴史的に十分記載されていなかったことです。「FR-4」という大きなくくりの中では、多くの材料が単に「代表値」として示されるだけで、特定の製品設計に対して適切な積層材が選ばれていることを保証するほど具体的ではありませんでした。

設計の複雑化が進むにつれて、積層材情報をさらに詳細化する必要性は飛躍的に高まりました。たとえば近年よく見られた問題として、ガラスクロスの種類に関する情報不足がありました。この情報がないことで、ジッタやスキューに関する重大な問題が発生していました。幸いなことに、現在では積層材メーカーが表3に示すようなガラスクロスの種類に関する情報を提供しています。

表3. PCB積層材で利用可能なガラスクロスの種類一覧

いくつかの代表的な材料における、これらのガラスクロス種別の違いを以下に示します。これらのFR4グレードの材料は、誘電率に大きな幅があり、これは積層材に使用されるガラスの種類と樹脂含有量によるものです。ガラスクロスの開口部ははっきり確認でき、機械的に拡開されたガラスが広く普及する以前は、こうしたガラスクロスの開口部が強いファイバーウィーブ効果の原因となっていました。以下に示す材料例は、商用で入手可能な材料におけるFR4グレードのプリプレグに関するものですが、同じ画像はコア材にも当てはめることができます。

新しい材料や旧来材料の改良版では、拡開ガラスの採用がますます進んでいます。標準的なガラスクロスでは、上の画像に示したような開口部が残るため、高速パラレルバスや差動ペアでは、工夫を凝らしたジグザグ配線パターンが使われる原因となっていました。

現在では、設計の製造ノートに拡開ガラスを指定しておけば、このような対策が必要になるケースは大幅に減っています。開発者は、拡開ガラスで構成された市販材料を指定することもでき、その材料は製造ノートおよびマスター図面のスタックアップ表に明記すべきです。

PCB材料のすべてのサプライヤーが、特定のガラスクロスや、その材料に拡開ガラスが含まれているかどうかについて、同じレベルの情報を提供しているわけではありません。たとえば、ある特定ブランド名の材料には、拡開ガラスを含む積層オプションと標準ガラスを含むオプションの両方がある場合や、両方のガラス種で入手可能な場合があります。表4は、スタックアップ設計に必要な、ガラス種別と樹脂含有量を含む積層材情報の例を示しています。

以下の表は、Isola GroupのFR408HR積層材システムについて、樹脂含有量、ガラス種別、比誘電率のデータを示しています。なお、この表はコア材のみに適用され、プリプレグについては別途対応する表があります。また、Isolaは歴史的に見ても、これらの情報を非常に優れた形で一般公開するか、要望に応じて提供してきた点にも注意してください。

表4. PCBスタックアップの設計に必要な代表的な積層材情報

試作から量産まで

設計上の他の重要項目と同様に、製品に使用する特定の積層材を決定する際には、エンジニアリングチームが極めて正確であることが不可欠です。そしてその後も、試作から量産に至る製品製造サイクル全体を通じて、同じ積層材が使用されるよう同じくらい慎重に確認しなければなりません。コスト意識の高い製造業者が、顧客のコスト削減のために、ある材料を別の材料に置き換えることがあります。こうした事例は約5年前にも実際に起きており、ある製造業者が、設計に適合した高価な2プライガラス材料ではなく、より安価な単層ガラス材料を使用しました。その結果、基板に不具合が発生し、メーカーは実装済み基板をすべて買い戻すことになりました。各基板には5,000～6,000米ドル相当の部品が搭載されていました。

実際のところ、私たちの業界では、製造業者がアートワーク、スタックアップ、あるいは材料を変更することを、日常業務の一環として、あるいは顧客の費用を「節約」する手段として許容する慣習が生まれてしまっています。設計速度が低かった時代には大きな影響がなかったかもしれませんが、今日の高速設計ではそのような裁量は通用しません。だからこそ、基板内にテスト構造を組み込み、さらに各基板に「Traveler」が製造工程を通じて必ず付随するようにすることが重要です。製品開発者は、この文書を必須とすべきです。そうすることで、製品開発サイクル全体を通じて、自分たちの基板にどの材料が使われたかを追跡できます。

まとめ

FR-4を積層材の名称として使うことには歴史的な背景がありますが、それが性能指標を伴うことを意味するわけではありません。実際、「FR-4」材料を特定の設計に対して曖昧に用いると、重大な結果、ひいては製品故障につながる可能性があります。製品が初回から意図どおりに動作することを確実にするには、最終的な材料選定において、性能に関わる重要な特性を考慮しなければなりません。同様に重要なのは、試作から量産までの製造サイクル全体を通じて、同じ積層材を使用するよう明確に規定することです。

信頼性の高いパワーエレクトロニクスでも、高度なデジタルシステムでも、開発が必要であれば、Altium Developはあらゆる分野を1つの協調的な力へと統合します。サイロなし。境界なし。ここでは、エンジニア、デザイナー、イノベーターが1つのチームとして協働し、制約なく共同開発を進められます。今すぐAltium Developをご体験ください！

参考文献

1. Ritchey, Lee W.、Zasio, John J.、『Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2』

よくある質問

「FR-4」は実際には何を意味し、なぜ積層材仕様として使うと誤解を招くのでしょうか？

FR-4は特定の積層材料ではなく、「難燃等級4」を意味するULの難燃性分類です。歴史的には、選択肢が実質的にポリイミド系かエポキシ系に限られていた時代に、「FR-4」は「ポリイミドではない」ことを示す略称として使われるようになりました。やがて、さまざまなエポキシ系および混合樹脂系材料 — 高Tgで電気的・熱的特性が異なるものも含めて — が「FR-4」と呼ばれるようになりました。そのため、「FR-4」とだけ指定しても、性能、コスト、構成についてほとんど何も分かりません。どちらも「FR-4」と呼ばれる2枚の基板でも、挙動は大きく異なる可能性があります。

なぜFR-4に対して単一の比誘電率を前提にしてはいけないのでしょうか。また、それによってどのような問題が生じますか？

FR-4クラスの材料の比誘電率（er）は、樹脂含有率、ガラス含有率、測定周波数によって変化し、すでに何十年も「4.7」という単一の値ではありません。実際には、よく使用される多くのラミネート材料はおよそ4.0、あるいはそれ以下であり、正確な値は特定の材料やレイヤースタックアップの詳細によって異なります。一定のer値を前提にすると、特に高速設計において、インピーダンスや信号伝搬遅延の誤差につながります。開発者は、スタックアップやシミュレーションを作成する際に、材料固有のデータ（周波数に対するer、損失係数、樹脂/ガラス含有率）を使用し、各メーカー製品ごとに示されているdielectric constant of fr4を考慮する必要があります。

ガラスクロスの種類はどのような役割を果たし、Spread Glassは高速設計にどのように役立ちますか？

織布ガラス繊維補強材は誘電体の一部であり、その織りパターンによってガラスと樹脂の比率に局所的なばらつきが生じます。標準的なガラスクロスには目に見える開口部があり、高速配線が偶然に樹脂リッチ領域またはガラスリッチ領域を横切ると、差動スキューやジッタなどのファイバーウィーブ効果を引き起こすことがあります。Spread Glassはこれらの開口部を低減または排除し、誘電体をより均質にして、こうした影響を軽減します。その利点を得るには、製造指示書でSpread Glassを明確に指定し、レイヤースタックアップおよびマスター図面でも材料オプションとして記載する必要があります。

「FR-4」ファミリー内でラミネートを選定する際、必ず要求すべき情報は何ですか？

FR-4という名称だけで判断せず、ラミネート固有のデータを入手してください。具体的には、周波数に対する誘電率、損失係数、樹脂含有率、ガラスクロスの種類、Tg（ガラス転移温度）、吸水率、絶縁破壊強度が含まれます。これらの情報がコア材とプリプレグの両方について揃っていることを確認してください。現在では、多くのサプライヤが詳細な表（たとえば各厚みオプションごとのガラスタイプや樹脂含有率）を公開しています。これらを活用して、予測可能なスタックアップを作成し、信号完全性を管理してください。疑わしい場合は、これらのパラメータを確認するためにfr4 material datasheetを要求してください。

試作基板と量産基板の一貫性をどのように確保し、なぜそれが重要なのですか？

材料を正確に指定してください。これには、ガラスクロスの種類、樹脂含有率、さらにSpread Glassが必要かどうかも含まれます。そして、試作から量産までこれらの要件を一貫して適用してください。開発部門の承認なしに、「コスト削減」を理由とした代替材の使用を許可してはいけません。見かけ上は小さな変更であっても（たとえば二層ガラスクロスではなく単層ガラスクロスにするなど）、不具合や高額な手戻りを招く可能性があります。基板上にテスト構造を組み込み、各ビルドで実際に使用された材料とプロセスを追跡できるランニングドキュメントの提出を要求してください。一貫性が極めて重要なのは、現代の高速設計では、管理されていない材料変更を許容する余地がないためです。