DFM 101: PCB 材料

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導入 PCB 設計者が直面する最大の課題の 1 つは、PCB 製造プロセスにおけるコスト要因を理解することです。 この記事は、これらのコスト要因 (PCB メーカーの観点から) と、製品の信頼性に影響を与える設計上の決定について説明するシリーズの最初の記事です。

DFM製造向け設計 (DFM) は、顧客のアセンブリ製造プロセスの能力だけでなく、基板製造プロセスの能力も可能な限り低いコストで満たすプリント基板を設計する実践として定義されます。 これらの記事は、PCB 製造業者との初期設計の取り組みに代わるものではありませんが、「成功するための設計」に役立つガイドラインを提供します。

標準的な多層材料ほとんどの PCB は、エポキシ ガラス (FR-4) 誘電体と銅箔を使用して製造されます。 PCB は、銅箔、プリプレグ、コアという 3 つの基本的な材料タイプから構成されています。

図 1: 両面に銅がラミネートされた、完全に硬化したガラスエポキシ材料の例。

高周波（RF/マイクロ波）材料高周波設計 (1 GHz 以上) には、誘電率と誘電正接が厳密に制御された材料が必要です。 通常 PCB に使用される FR-4 材料は、望ましい制御された特性を持っていません。 高周波用途に使用される基板材料は当初、望ましい特性、つまり誘電率が±0.04、誘電正接が 0.0004 に制御された PTFE 樹脂配合をベースにしていました。 これらの値は、材料の種類やサプライヤーによって多少異なる場合があります。 現在、PTFE を含まず、高周波用途に使用できる制御値を備えた材料が数多く市場に出ています。

材料の種類基本的な素材には、不織布ガラス、織ガラス、充填材の 3 種類があります。 軍用規格の呼称は、GR (不織布) および GT、GX、GY (織物) です。 充填材には指定がありません。

不織布材料には、基材中にガラスマイクロファイバーが分散されたものが含まれています。 これらは通常、誘電率が低い (2.20 ～ 2.35) 材料です。 損失係数が低いため、高周波で非常にうまく機能します。

銅箔の種類接着銅箔は 2 種類あります。 電着（ED）および圧延焼鈍（RA）。 これらのフォイルの違いは、製造プロセスと、接着力を強化するための裏面の処理です。

1. 電着銅 (ED) は、回転ドラム上に銅を電気メッキすることによって作成され、垂直方向の粒子構造が得られます (図 2)。 ドラム表面の反対側の銅メッキは、まるで「歯」のように粗く、さらなる処理によって強化されます。 歯はより高い剥離強度を提供しますが、歯の深さにより高周波での導体損失が増加する可能性があります。

図 2: 回転ドラム上に電気めっきすることによって作成された電着銅。

2. 圧延アニール銅 (RA) は、インゴットを圧延して非常に薄い箔にすることによって製造されます。 粒子構造は水平方向に配向しています。 圧延により箔に応力が生じるため、応力を除去するために熱アニールする必要があります。 圧延アニールされた銅は両面が同じ仕上げになっているため、裏側に人工的に歯を作成する必要があります。 これらの歯の深さは電着銅の約半分です。 これにより、圧延焼鈍銅の剥離強度は電着銅の約半分になります。 これは、圧延アニール銅が 13 GHz を超える周波数でより優れたパフォーマンスを発揮することを意味します。

図 3: 圧延アニール (RA) 銅は、インゴットを圧延して非常に薄い箔にすることによって作られます。

剥離強度は、1 インチ幅の銅箔ストリップを基板から剥がすために適用する必要がある力の量 (ポンド/インチ) です。 電着 (ED) 1 オンスの銅の一般的な値は 1 インチあたり 9 ～ 11 ポンド、圧延アニール (RA) 1 オンスの銅の場合は 1 インチあたり 4 ～ 6 ポンドです。 回路トレースが狭くなるにつれて、剥離強度は低下します。 したがって、狭いトレースへのはんだ付けや接着にはより注意が必要です。

銅の表面粗さは、銅の表面の粗さが導体損失に影響を与える高周波用途にとって重要です。 高い信号周波数では、PCB 銅回路内の電流は、表皮効果または表皮深さと呼ばれる、その表面近くの小さな深さに集中します。 表皮深さは、導体内で電気伝導がどのように (そしてどこで) 起こるかを示す尺度であり、周波数の関数です。

言い換えれば、高周波用途では、銅の表面が滑らかであればあるほど優れています。 回路の伝導は、電磁波が伝播する誘電体に最も近い表面、言い換えれば、マイクロストリップ設計の積層板に面する銅の底面で発生します。

図 4: 銅の表面は滑らかであればあるほど良いです。

メタルコアとIMPCBの材質絶縁金属プリント基板 (IMPCB) またはメタル コア PCB は、固体金属の層を利用して PCB 上のさまざまなコンポーネントによって発生する熱を放散する熱管理設計です。 金属を PCB に取り付ける場合、接合材料は熱伝導性であるが電気的に絶縁性であることがあり、RF/マイクロ波回路の場合、接合材料は電気伝導性と熱伝導性の両方を備えている可能性があります。 これらの用途では、銅とアルミニウムという 2 つの一般的な金属が使用されます。 どちらを使用するかは、コスト、重量、熱特性を考慮した用途によって決まります。 表 1 に、さまざまな卑金属の特性を示します。

表 1: いくつかの金属ベース材料のさまざまな特性のリスト。

埋め込み容量材料埋め込み容量材料は、2 つの銅箔層の間に挟まれたセラミック充填エポキシの非常に薄い層で構成されています。 低インピーダンスの共有容量配電ネットワーク用の電源プレーンとグランドプレーンのペアとしてパターン化できます。 設計上の最大の利点は、0.1 μF 以下のコンデンサとそれに関連するはんだ接合部およびビアを、すべてではないにしても多くの除去が可能になり、使用可能な基板面積が増えることです。 その他の利点は次のとおりです。

埋め込み抵抗材料埋め込み抵抗器は、薄膜に作られた平面抵抗素子です。 このタイプの抵抗器は、はんだ接合の必要性を排除するため、標準プリント基板層上のエッチングおよびプリント回路の一部になります。

その他の利点は次のとおりです。

結論ご覧のとおり、各 PCB の最終コストに寄与する多くの製造要​​因があります。 今日の PCB 設計者は、これらのコスト要因と、各設計におけるこれらの要因の管理に伴う多くのトレードオフを十分に理解する必要があります。 このシリーズのパート 2 にご期待ください。

Anaya Vardya は American Standard Circuits の社長兼 CEO です。 「RF/マイクロ波 PCB の基礎、フレックスおよびリジッドフレックスの基礎」の共著者。 『Thermal Management: A Fabricator's Perspective』の著者でもあります。 これらおよびその他の無料の教育関連タイトルをダウンロードするには、I-007eBooks.com にアクセスしてください。 彼はまた、「プリント基板技術の基礎」の共著者でもあります。