FR-4 は、プリント回路基板に最も広く使用されている基板材料である。しかし、どのような特性がプリント基板用基材として求められているのだろうか。
興味深いことに、PCB製造に携わる多くの人々は、FR-4の特性を明確に理解していない。多くの人は、FR-1、G-10、アルミナ、PTFEなどの他のPCB基板と比較して、その利点を知りません。
この記事の目的は、プリント回路基板のベース材料としてのFR-4の特性と使用例に光を当てることである。うまくいけば、この議論は、あなたが情報に基づいた決定をするのに役立ちます。
FR-4とは？
FR-4は、規格格付けと名称の両方を指す。 ガラス強化エポキシ積層材.FRは難燃性を意味し、4は素材の等級を示す。硬質で難燃性のエポキシ樹脂にグラスファイバー層を織り込んだ複合素材である。
FR-4は、基板材料、言い換えれば、プリント回路基板の主要な絶縁骨格として広く使用されている。低コスト、高い絶縁耐力、および耐湿性は、FR-4のいくつかの顕著な利点である。これらの特徴は、FR-4をプリント回路基板のためのゴー-ツー基板材料にする。洗練された回路は、FR-4ボードの片面または両面に印刷することができる。
FR-4プリント配線板の厚さを選択する際の考慮要素
ラミネート基板を使用するPCBプロジェクトに携わる電気エンジニアは、基板の厚さを指定する必要があります。基板の設定によって、その厚さはインチ、ミリメートル、または1000分の1インチを意味するthouで測定されることがあります。ただし、通常は10インチから3インチの範囲です。
電子機器は年々小型化している。そのため、PCB基板の厚みは、ガジェットのサイズ、デザイン、精度、美観を大きく左右します。ここでは、ラミネート基板の厚さを決定する際に留意すべきいくつかの要因を紹介します：
スペース
シンナー FR-4ボード その理由は明白だ。理由は明白で、BluetoothアクセサリーやUSBコネクターなどのガジェットが小型化しているからだ。スペースを節約できるため、より小型で薄いFR-4基板は、大規模なプロジェクトでも好まれる。
コネクション
PCB設計には片面設計と両面設計がある。両面設計の場合、両面を接続するエッジ・コネクターが必要となる。コネクタの嵌合部分に問題があると、PCBが損傷する可能性がある。回路が設計されるまで、回路の材料が選択されない理由はそこにある。
柔軟性
特定の用途に応じて、FR-4基板の柔軟性は望ましい特徴である場合もあれば、そうでない場合もある。より薄いボードは、より柔軟である傾向がある。定期的に曲げられたり、応力がかかったりするような製品には、柔軟な基板が必要です。自動車や医療分野で使用されるデバイスは、フレキシブル基板を必要とすることが多い。
しかし、PCB製造プロセスに関しては、フレキシビリティはしばしば好ましくない特徴である。その理由のひとつは、組み立てがより複雑になるからである。はんだ付け装置によってフレキシブル基板がたわみ、部分的にはんだ付けされることがある。このたわみは、基板上に配置された接続部や部品を損傷する可能性がある。
デザイン
FR-4ボードの厚さは、ボードの設計要件によって決定されなければならない。薄い基板がすべての種類のプロジェクトに適しているわけではありません。例えば、溝を特徴とする設計では、比較的厚い基板が必要です。
インピーダンス・マッチング
多層基板の場合、基板自体がコンデンサーの役割を果たすため、厚みが重要になる。キャパシタンスをある程度決定する誘電体は、基板の厚さによって決まる。
コンポーネントの互換性
一部のスルーホール部品など、多くの部品はある範囲の厚さにしか適合しません。そのため、部品の互換性はFR4プリント基板の厚さを決定する際に考慮すべき重要な要素です。
重量
プリント基板の重量は、FR-4基板の厚さに大きく依存する。軽量な製品を製造するメーカーは、薄い基板を好みます。
FR-4はあなたのPCBプロジェクトに適した材料ですか？
ほとんどのエレクトロニクス用途では、FR4基板がデフォルトの選択です。FR-4の人気は、この材料の強度、低コスト、信頼性に負うところが大きい。しかし、すべての用途に最適な材料というわけではない。高周波設計には高周波ラミネートが望ましい。
FR4素材と高周波ラミネートのどちらを選ぶかについて、留意すべきポイントをいくつか挙げてみよう：
- コスト：FR-4は高周波材料よりも安い。したがって、メーカーがコストを重視するのであれば、FR-4は高周波ラミネートよりも間違いなく良い選択肢である。
- 信号損失：FR-4は誘電正接が高いため、信号損失が大きく、高周波で問題となる。このような用途にFR-4を使用すると、回路の信号損失が多くなる。FR-4のDfは約0.020ですが、一般的な高周波ラミネートのDfは約0.004です。
- インピーダンスの安定性：高周波設計や大規模回路の場合、性能はインピーダンスの安定性に依存する。高周波ラミネートは、誘電率の安定性を維持するために望ましい。FR-4では、基板内の温度が変化すると、Dk値が領域全体で変化するためです。
- 温度管理：温度変化は基材の誘電率に影響を与える。その程度は、定数の熱係数に依存する。摂氏1度の温度変化に対して、FR-4の熱係数は約200ppmです。高周波ラミネートの場合、この数値は約40ppmとなる。この差はそれほど大きくないように見えるが、重要な要素である。特に、比較的高温の環境で使用されることを想定した基板には重要な要素となる。
- 誘電率：用途によっては、回路基板の誘電率が重要な意味を持つことがある。高周波回路では、伝送線路のサイズは誘電率に大きく依存する。回路サイズは伝送線路のサイズに比例します。基板を小さくするには、誘電率の高い材料が望ましい。高周波材料のDk値は6.15〜11であるが、FR-4のDk値は約4.5である。この低いDk値は、場合によってはFR-4が小型PCB基板に適さないこともある。
- 動作環境：回路の基材を選ぶ際には、環境を考慮すること。高周波ラミネートは、より高いレベルの耐温度性と耐湿性を提供します。これが、一部のハイエンド設計者が高周波ラミネートを好む理由のひとつです。
まとめ
回路基板の基材を選択し、その厚さを決定する際には、すべての関連要因を考慮してください。FR-4は高周波ラミネートに比べて利点がありますが、すべての種類の用途に適した基材ではありません。
ほとんどの場合、FR-4は安価で、幅広いサイズと厚さで入手できるため、かなり便利だと感じるだろう。しかし、利点と欠点を比較検討し、プロジェクトに適した回路基板ベース材料を選択することが重要です。これで決断の準備が整ったことと思います。