多層基板用のPCB基板材料としてのFR4代替品の選択

時には、常識に反することが報われることもあります。FR4基板は、製造業者から最も人気のある選択肢であり、各製造業者には好みの供給業者がいます。しかし、多層基板には、代替のPCB基板材料を追求したいかもしれません。PCB積層材料の製造業者は複数存在しますが、利用可能な基板の広範なクラスはやや限られています。

極端な環境、繰り返しの熱サイクル、または高速/RFデバイスに特化したデバイスを構築する必要がある場合、多層PCB基板のための代替材料がより良い選択肢となるかもしれません。この記事ではいくつかの例を示しますが、できるだけベンダーニュートラルであるよう努めます。より重要なのは、FR4基板の代替品を選択するための基準を理解することであり、さまざまなアプリケーションに重要な基準を提供します。

FR4基板に固執する必要はありません

「FR4」と呼ばれるものは、実際には特定の材料や特定の材料組成を指すものではなく、材料のクラスに対する全国電気製造業者協会（NEMA）の指定です。これらのPCB積層材料は、プラスチック材料の燃焼性に関するUL94V-0基準に準拠しています。

FR4の欠点

FR4は単層および多層PCBの基板材料として圧倒的に人気がありますが、いくつかの欠点があります：

• 低熱伝導率：他の電気絶縁体と同様に、FR4も印刷回路を支持するための他の材料と比較して熱伝導率が低いです。
• やや損失が大きい：FR4基板ラミネートは、約1GHzでの損失正接が約0.02という損失特性で知られています。ストリップラインや基板統合型導波管をルーティングすることで他の信号からの高い隔離が保証されますが、信号が全体の損失正接を見るため、より大きな減衰を伴います。
• ファイバーウィーブ効果：数十GHzの範囲では、FR4ラミネートに使用されるガラス織物が、信号伝播経路に沿った累積スキューと共振損失のような興味深い効果を生み出します。
• 銅とのCTEの不一致：ほとんどのFR4ラミネートのz軸熱膨張係数（CTE）値は銅と大きく不一致しています（通常FR4:Cu = 約3:1）。これは、繰り返しの熱サイクリングやガラス転移温度以上の極端な温度変化の下でのみ、主要な問題となります。

低速/低周波で動作し、高温になったり極端な環境で使用されない簡単な設計の場合、これらの欠点はおそらく問題にならないでしょう。より現代的な設計では、FR4以外の代替品を少なくとも検討することが重要です。代替のPCB基板材料を使って設計を始める前に、いくつかの製造業者に話をして、彼らのプロセスで扱える材料が何か、そして彼らのスタックアップで推奨する層の厚さを確認してください。彼らは下の画像に示されているようなPCBスタックアップ表を送り返してくれるでしょう。

熱要求と信頼性

高速で動作し、かつ/または高周波で動作する現代のPCBの熱要求と、これらのシステムが展開されている厳しい環境を考えると、次のPCBに異なる材料を使用することが理にかなっているかもしれません。基板材料の選択肢がいくつかありますし、一部のアプリケーションで高熱に対処するための代替設計選択肢を試してみることもできます。

熱伝導率が高い基板を使用することで、熱が基板全体に容易に広がり、基板がより均一な温度で動作することができます。高速/高周波デバイスを搭載したFR4基板では、大型の高速プロセッサ（例：FPGAやMPU）の周囲にホットスポットが発生することがあります。基板の全体的な熱伝導率は、代替材料を使用するか、追加のプレーン層を使用することで向上させることができます。これらの基板では、重要なコンポーネントにはヒートシンクを使用するべきであり、場合によってはいくらかのエアフローのためにファンを使用することもあります。もう一つの選択肢は、熱インターフェース材料を使用して基板をそのエンクロージャに接合し、熱を直接エンクロージャに戻す経路を提供することです。

代替多層PCB基板材料の例

このセクションでは、一部の設計者が考慮していないかもしれない代替オプションを紹介したいと思います。これらの代替材料は、FR4基板に見られる特定の欠点を対象としています。FR4ラミネートのすべての欠点を克服する単一の代替PCB基板材料は存在しないことに注意することが重要です。代わりに、システムにとって重要な特定の欠点を選択する必要があります。以下の表にいくつかの例を示します：

メタルコアまたはメタルバック基板

FR4基板の熱管理は、メタルコアまたはメタルバック基板を使用することで補完できます。これらの基板に使用される大きなアルミニウムのスラブは、熱を基板全体に効率よく分散させ、エンクロージャーやハウジングに伝えることで、より均一な温度分布を保証します。これは、LED照明用の基板や特殊な環境での高出力レギュレーターなど、多くのアプリケーションで役立ちます。

セラミックス

多層PCB基板の代替材料は、熱管理以外にも他の利点を提供します。例えば、セラミックPCBの製造プロセスでは、受動部品を多層セラミックPCBの内層に埋め込むことができます。セラミック基板を作成するために必要な材料の混合は、高い熱伝導率と電気伝導率の比率を維持しながら、その機械的特性を調整することを可能にします。PCB用セラミックの熱膨張係数は、ほとんどの導体に近く、サイクリング中の機械的ストレスを減少させます。

コンポジットエポキシ材料（CEM）

特にアジアでは、コンポジットエポキシ材料（CEM）、特にCEM-3が人気の代替材料グループです。このクラスのコンポジット材料は、織りガラス布の表面と非織りガラスコアをエポキシ合成樹脂と組み合わせて作られています。一部のメーカーは、CEM-3は生産コストが安く、FR4と同等の難燃性を提供し、FR4と同じ製造プロセスで使用できるため、FR4を完全に置き換えるべきだと主張しています。

CEM-3のガラス転移温度（約125°C）はFR4（約135°C）のそれと似ています。例えばCEM-1やCEM-2などの他のCEMベースの材料は、はるかに低いガラス転移温度を持ち、多層ボードには使用すべきではありません。ほとんどのメーカーは、CEM-3を低層数での使用のみを推奨していますが、同様の層数のFR4ボードを置き換えるために使用されています。

高周波ラミネート

「高周波」と分類されるPCBラミネート材料は、2つの重要な領域での有用性を指すことがあります：

• 高周波数での低損失正接、通常は約10GHz以上で0.003以下
• ファイバーウィーブ効果はありますが、これらの積層材は典型的なFR4材料と同じ損失正接を持つことがあります

両方の基準を満たす材料は、24GHz（短距離）、76-77GHz（長距離）、または77-81GHz（短距離）で動作するレーダーモジュールのようなアプリケーションでよく使用されます。その他の特殊な用途には、イメージングレーダー、ドローンレーダー、無線MAN、リモートセンシング、SATCOM、リモートセンシングなどがあります。デジタル領域では、高周波数用の代替PCB基板材料が必要で、バックプレーンやサーバーマザーボードなど、非常に長いチャネル長を可能にします。例えば、大きな3U/6Uバックプレーンは、レーダー周波数を超える帯域幅で20インチに達する高速チャネル長を持つことができます。もしFR4でこのボードを設計した場合、そのような長いチャネルから信号を回復することは決してありません。

おそらく、最も人気のある高周波PCB基板材料の2つは、マイクログラスフィラー（例：Rogers）を含むPTFEベースの積層材（テフロン）とMegtronです。高周波で動作するデバイスでは、ルーティングチャネルが非常に長い場合、これらの高周波PCB積層材料のいずれかを使用することが最良の選択かもしれません。短いチャネルでは、リターンロスが支配的な損失メカニズムになります。

PTFEを用いたハイブリッド構造

高速/高周波積層材は、信号減衰を減少させるために、高速/高周波PCBの外層でよく使用されます。PTFEベースの積層材は通常、高速デバイスの内部コアの上に配置され、自然に多層PCBでの使用を可能にします。FR4と比較して、テフロンはそのはるかに低い分散と低い誘電率定数により、これらの高速での信号伝播速度が速くなるため、GHzおよびそれ以上の周波数とデータ転送速度に推奨されます。

PTFEには他にも利点があります。水の吸収性が低いため、湿度が高い環境や濡れた環境でも有用です。表面層や内部ラミネート層として様々な材料と組み合わせて使用できるため、高速・高周波信号用の低損失層を形成することができます。しかし、FR4よりも高価であり、約370°Cでのプレスが必要とされるため、スタックアップ構造での作業がより困難です。また、FR4よりも熱伝導率が低いため、PTFEボードの熱管理が重要です。

高密度PCB設計のためのPCBラミネート材料

高速、高温度、HDI多層ボードに使用できる他の材料も様々あります。FR4やPTFEベースの材料に属する標準的な材料セットは、ある最小厚さまでしか作れず、機械的にドリル加工する必要があります。これらの材料は、機械的にドリル加工された盲孔/埋め込みビアを持つHDI PCBに使用できますが、マイクロビアには使用できない場合があります。HDI PCBやより高度なUHDI PCB/IC基板には、エッチングや付加的な堆積、レーザードリル加工と互換性のある代替材料が必要です。

レーザードリル可能なラミネート

HDI設計でマイクロビアを使用する場合、プリプレグとコアはレーザードリリングと互換性がなければなりません。これらの材料の樹脂混合物、ガラス織りスタイル、および層の厚さは、レーザードリリングプロセス用に特別に調整されています。これにより、小径のビア（許容アスペクト比制限を考慮すると、薄い誘電体層が必要です。材料メーカーは、材料が互換性がある場合、レーザードリリングプロセス用に特にその材料を市場に出します。

レーザードリル可能な積層材には、商業的に利用可能なさまざまなブランドや材料の配合が含まれており、その一部はスラッシュシートで指定され、IPC基準に準拠しています。これらには、FR4の定義に適合するガラス強化樹脂材料が含まれ、多くの人気メーカー（例：IsolaやITEQ）から入手可能です。FR4の定義には当てはまらないがレーザードリル可能な他の材料には：

• 銅被覆樹脂ベースフィルム（RCC）
• ポリイミド
• 繊維強化ポリアミド（別名、アラミド）
• ビスマレイミド-トリアジン樹脂、別名BTエポキシ

があります。これらの材料のいくつかは、半導体チップやチップレット用の高密度基板とPCBの両方に有用です。例えば、RCCは、複数のサブラミネーションを含む高密度構築のための材料システムとして、両方の領域での使用に一般的な選択肢です。

ビルドアップフィルム

「ビルドアップフィルム」という用語は、HDI PCBに見られるレーザードリル可能なラミネートの代わりに時々使用されます。これらのフィルムはフィルムロールとして包装され、基板PCB材料にラミネートされます。最も一般的なビルドアップフィルムはAjinomoto Buildup Film (ABF)ですが、その最も一般的な使用は半導体基板の生産においてであり、PCB材料としてではありません。現在、ABFは半導体IC基板の供給チェーンを支配していますが、HDI/UHDI PCBにも使用できます。ABFはまた、比較的低い誘電率（Dk = 3.3まで）とFR4よりも低い損失を持っており、高帯域幅チャネルを必要とするASICやプロセッサに有用です。密度が低い（減算エッチング）設計のための非常に近い代替品は、銅箔でコーティングされた有機樹脂を使用するRCCです。

このフィルムは、FR4コア、BTエポキシコア、熱硬化性樹脂コア、またはその他の硬質有機コアに構築することができます。これは標準的なHDIスタックアップ構造に従いますが、積層ブラインド/バリアドビア（タイプII）を使用し、より高密度にスケールアップされ、しばしば加算プロセスで製造されます。

将来を見据えて

より先進的なチップがUHDI PCBや半導体パッケージング用の超薄型、低Dkビルドアップフィルムオプションを要求するにつれて、ABFは半導体業界内外での使用が増えると予想されます。しかし、ABFがビルドアップフィルム市場での支配的地位を持つため、革新的な企業は将来のビルドアップフィルムを探しています。これらのFR4代替物は、外層処理用にもDk

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