回路基板設計で考慮すべき PCB 材料特性

各 PCB の熱的、機械的、および電気的挙動は、PCB 基板、導体、およびコンポーネント材料の材料特性によって異なります。これらのさまざまな材料の中で、設計者は適切な PCB 基板材料を選択することで、ボードの動作を最大限に制御できます。 PCB 材料の性能、特に樹脂とラミネートの性能は、回路基板が機械的、熱的、電気的刺激にどのように反応するかを決定します。

PCB 基板材料を選択する必要がある場合、PCB にとって最も重要な PCB 材料特性はどれですか? その答えは、PCB のアプリケーションと PCB が展開される環境によって異なります。次の PCB のプリプレグおよびラミネート材料を選択するときは、アプリケーションの参照用に次の重要な材料特性を考慮する必要があります。

PCB 材料の重要な特性

基板の選択は FR4 に限定されなくなりましたが、PCB ラミネートを簡単に選択する必要はありません。まず、さまざまな材料特性が PCB にどのように影響するかを理解してから、運用要件を満たすラミネートを選択する必要があります。ラミネートメーカーのマーケティングスピーチを聞くだけではいけません。各基板の材料特性と、それらが PCB にどのように影響するかを時間をかけて理解してください。

インターネットで PCB 材料の性能に関するデータを見つけることができますが、特に特殊な積層材料については、メーカーに相談することをお勧めします。セラミックやメタルコア PCB などのより特殊な材料には、一連の独自の材料特性があります。

circuit board

すべての設計者が知っておくべき重要な PCB 材料特性は、電気的、構造的、機械的、および熱的特性の 4 つの側面に分けられます。

電気特性

今日の PCB 基板材料で考慮する必要があるすべての重要な電気的特性は、誘電率に反映されています。

誘電率

これは、高速/高周波 PCB のスタックを設計する際に考慮すべき主な電気的特性です。誘電率は複雑な量であり、周波数の関数であり、PCB 基板で次の形で分散を引き起こします。

速度分散: 誘電率は周波数の関数であるため、異なる周波数では異なる損失レベルが発生し、異なる速度で移動します。

損失分散: 信号が受ける減衰も周波数の関数です。単純な分散モデルは、周波数の増加とともに損失が増加することを示していますが、これは厳密には正しくありません。一部のラミネートの損失とスペクトルの間には複雑な関係がある場合があります。

これら 2 つの影響は、伝搬中に信号が受ける歪みの程度に影響します。非常に狭い帯域幅または単一の周波数で動作するアナログ信号の場合、分散は問題になりません。ただし、これはデジタル信号では非常に重要であり、高速デジタル信号のモデリングと相互接続設計における主要な課題の 1 つです。

構造特性

PCB とその基板の構造も、基板の機械的、熱的、および電気的特性に影響を与えます。これらの特性は、主に 2 つの方法で反映されます。ガラスの織り方と銅導体の粗さです。

ガラス織りスタイル

ガラス編組パターンは、基板上の樹脂含有量に関連して、PCB 基板上にギャップを残します。基板の平均誘電率は、ガラスと含浸樹脂の体積比を組み合わせることで決定できます。さらに、ガラス編組パターンのギャップは、相互接続に沿って変化する基板の誘電率がたわみ、共振、および損失を生成する、いわゆるファイバー編組効果を生み出します。これらの影響は、50 GHz 以上の周波数で非常に顕著になり、レーダー信号、キロメガビットイーサネット、および一般的な LVDS SerDes チャネル信号に影響を与えます。

銅の粗さ

これは実際には印刷された銅導体の構造上の特徴ですが、相互接続の電気インピーダンスに影響を与えます。導体の表面粗さは、高周波での表皮効果抵抗を効果的に増加させ、信号伝搬中に誘導された渦電流によって引き起こされる誘導損失をもたらします。銅のエッチング、銅の堆積方法、およびプリプレグの表面は、表面粗さにある程度影響します。

熱性能

基板材料を選択する場合、PCB ラミネートと基板の熱特性を 2 つのグループに分ける必要があります。

熱伝導率と比熱

プレートの温度を 1 度上げるのに必要な熱は、基板の比熱によって定量化され、単位時間あたりに基板を介して伝達される熱は、熱伝導率によって定量化されます。これらの PCB 材料の性能によって、PCB が動作中に環境との熱バランスに達するときの最終的な温度が決まります。大きなラジエーターまたはシャーシに熱をすばやく放散する必要がある環境に回路基板を展開する場合は、熱伝導率の高い基板を使用する必要があります。

ガラス転移温度と熱膨張係数 (CTE)

これら 2 つの PCB 材料特性も関連しています。すべての材料には特定の熱膨張係数 (CTE) があります。これは、PCB 基板の異方性の量とまったく同じです (つまり、膨張率は方向によって異なります)。回路基板の温度がガラス転移温度 (Tg) を超えると、CTE 値は急激に上昇します。理想的には、CTE 値は必要な温度範囲内でできるだけ低くする必要がありますが、Tg 値はできるだけ高くする必要があります。最も安価なFR4基板のTg~130°Cですが、ほとんどのメーカーはTg~170°Cのファイバーコアとラミネートの選択肢を提供しています.

上記の熱特性は、PCB 基板上の導体の機械的安定性にも関連しています。特に、CTE の不一致は、高アスペクト比のスルーホールおよびブラインド/埋め込みスルーホールで既知の信頼性の問題を引き起こします。これらのスルーホールは、体積膨張によって引き起こされる機械的応力が原因で破損しがちです。そのため、高 Tg 材料やその他の特殊なラミネートが開発されており、HDI 設計に携わる設計者はこれらの代替材料の使用を検討することができます。