PCB基板に厚いFR4か薄いFR4を使用すべきか？

子供と一緒にパイを作ったことがあるなら、皮の厚さが重要であることを知っているでしょう。薄すぎると、中身が散らかってしまいます。厚すぎると、まるでパンを噛んでいるようです。ちょうど良い厚さがパイを美味しくする秘訣です。

PCBの基板材料は非導体であり電流を運びませんが、FR4 PCB基板の厚さは基板の構造強度を決定するだけでなく、電力と信号の整合性にも影響します。設計者としてのあなたの仕事は、望ましい厚さを持つ基板を持つために、適切なセットの積層材を組み合わせることです。そして、PCBでどんな厚さでも達成できるわけではありません。基板の厚さについてどのような厚さを使用すべきか、どれだけ厚くまたは薄くできるか不確かな場合は、FR4の厚さに関するこれらのガイドラインを読んでください。

FR4厚さの設計上の考慮事項

PCBの標準厚さは1.57mmです。一部のメーカーは、0.78mmや2.36mmといった特定の厚さにも対応します。"厚い"または"薄い"FR4と言う場合、通常は1.57mmの標準厚さと比較しています。製造業者のプロセスが対応できる限り、コアとプリプレグ積層材の厚さを組み合わせることで、好きな厚さのPCBを選ぶことができます。

積層材を選択し、レイヤースタックアップを設計する前に、ボード厚さに関連する以下の設計の側面について考えてください：

フォームファクター

PCBに厳格なフォームファクター要件はありますか、または非常に薄い筐体に収める必要がありますか？一部の設計では、重いコンポーネントを支えたり、機械的に厳しい環境に耐えたり、機械的サポートに収まるために（軍事および航空宇宙組み込みシステムの高速バックプレーンが一例です）、厚いボードが必要です。これらの制約により、ボードの厚さが特定の値に限定されることがあります。

コンポーネントとエッジ接続

このデバイスには、特定のPCB厚さを必要とするコンポーネントがありますか？エッジコネクターや大型のスルーホールコンポーネント（高電流トランスフォーマーなど）のようなコンポーネントは、PCBスタックアップが正しい厚さであることを要求します。いくつかのコンポーネントのデータシートやアプリケーションノートでは、さまざまな理由から特定のコンポーネントに対して最小のPCB厚さを指定している場合があり、これらはPCBスタックアップを設計する際に考慮すべきです。

この点が重要な例のコンポーネントとして、SMAエッジコネクターがあります。下に示されているこのコネクターでは、コネクターボディの上部と下部のスポークが、約60-70ミル厚のPCBに対応するように設計されています。この特定のタイプのコネクターを使用したい場合、この値を超えることはできません。その場合、穴取り付けスタイルのSMAを使用する必要があります。この値より下を行くことは可能ですが、その場合、このスタイルのエッジコネクターに関連する機械的強度の一部を失うことになり、これはその主な利点の一つです。

SMAは最もよく知られているエッジコネクタのスタイルの一つですが、表面実装デバイスとしてエッジに取り付ける他のスタイルや、プレスフィット取り付けを可能にするルーティングされた切り欠きを使用するスタイルもあります。おそらく世界で最も一般的なコネクタの一つであるUSBコネクタは、特定のPCBの厚さに依存する後者のタイプのコネクタの主要な例です。

下の画像は、取り付け用に示されたルーティングされた穴とともにUSBコネクタのPCBフットプリントを示しています。これらの穴は標準化されており、PCBのエッジに取り付けられたUSBコネクタの機械図面に示されます。これらの穴を通るタブは、PCBのエッジに沿ってコンポーネントを保持するのに役立ちます。

PCBで使用できる最終的なエッジマウント接続のタイプは、PCBのエッジに沿った金の指であります。これらのボードは、ボードエッジに沿った金の指と接触するスロットコネクタに取り付けられ、これらのコネクタは特定の範囲内で全体のボード厚さが必要です。ほとんどの設計者は、RAMモジュール、PCIeカード、ドーターカード、固体ドライブ、キースロットコネクタに沿った金の指に慣れているでしょう。

トレースインピーダンス

トレースとその最も近い基準平面（隣接する層上）との距離は、トレースのインピーダンスだけでなく、多層ボードの誘電体損失のレベルを決定します。薄い層厚を選択する場合、トレースも細くする必要があります。特定のコネクターやICパッケージに対応する特定のトレース幅を設計したい場合は、望ましい幅をサポートするために必要な層厚を考慮するべきです。

必要な層厚がボードの厚さを変えない場合もありますが、これは利用可能なコアとプリプレグのラミネート厚さに依存します。設計で特定の厚さを設定し、その厚さが製造可能であると期待するよりも、製造業者にどのようなラミネートが利用可能かを確認し、それらのラミネート厚さを基に設計することが最善です。

この注意点は、積層材料メーカーから製品リストにアクセスできる場合に限ります。一部の積層材料製造業者は、厚さの値を含む利用可能なコアとプリプレグの長いリストを提供することがあります。製造業者とクリアする限り、これらのリストから選んで自分のスタックアップを提案することができます。ただし、製造業者が材料を在庫しており、このアプローチをサポートするために必要な加工能力を持っていることを確認してください。積層材料ベンダーから見つかるかもしれない例示リストは以下の通りです。このリストはIsolaのFR408材料のコアとプリプレグのデータの断面を示しています。

高速/高周波PCB

高速デバイスを扱っている場合、FR4は常に最適な選択肢ではありません、他の低損失材料が望ましいかもしれません。リンク長が短い場合、損失は負荷コンポーネントでのリターンロスによって支配されるため、特殊な低損失積層材料はそれほど重要ではありません。リンクが長い場合、全体の損失は挿入損失によって支配されるため、最低損失の積層材料を使用することでリンク長を最大化するのに役立ちます。

これらの点を考慮するには、トレースインピーダンスと同じ点を考慮する必要があります。層の厚さは、全体のボードの厚さよりも重要ですが、層の組み合わせによって全体のボードの厚さが決まります。厚いまたは薄いラミネートを使用する予定の場合、層の厚さが損失にどのように影響するかを考えてください。高速マイクロストリップの場合、より厚い誘電体層は基板内のより多くの電界線を閉じ込めるため、損失が大きくなります。

熱膨張、ビアのアスペクト比、および製造可能性

ボードの厚さを考慮する次の点は、製造可能性と信頼性、特に熱膨張とビアに関してです。すべての材料は、高温になると膨張します。これにはPCB内のビアも含まれます。特に、これは層スタック全体を通して完全にドリルする必要があるスルーホールビアにとって重要です。ボードの厚さと穴のサイズに応じて、ビアのサイジングを考慮する際には、2つのトレードオフがあります：

• 大きなアスペクト比はめっきが難しくなり、厚い基板では大きなアスペクト比が与えられた穴のサイズに対して生じます
• 大きな穴のサイズは、基板が厚くても穿孔やめっきが容易です
• 基板が厚すぎる場合、高いボリュームでのコストが工具の摩耗によって増加する可能性があります
• 製造業者は、高アスペクト比に対応するためにパルスめっきプロセスで投げ込み強度を変更することができます

高アスペクト比（10:1以上）のスルーホールビアは、正しくめっきされていない場合、ビアバレルの中心付近で熱膨張により熱サイクリング下で故障しやすくなります。使用する製造業者は、高アスペクト比ビアの製造プロセスでの作業経験があり、熱サイクリング下で故障しない信頼性の高いPCBを提供できることを確認してください。厚い基板を送り出す前に、故障を防ぐために十分な壁めっきでビアを製造できる能力があるかどうかを確認してください。

もちろん、FR4ボードのPCB厚さ、層の標準PCB厚さ、および積層材料を選択する際には、考慮すべき多くの設計上のトレードオフがあります。CADツールとAltium Designer^®のルールチェック機能を使用すると、標準FR4厚さを基準にデバイスを設計することが容易になります。詳しくは、今すぐAltium Designerの専門家に相談してください。