FR4 PCB 材料: 特性、誘電率、CTE、およびデータシート ガイド

FR4とは何ですか?定義と業界の地位

FR4 (FR-4 とも呼ばれます) は、世界中でプリント基板に最も広く使用されている基材です。指定は次のことを表します 難燃性4種 、全米電気製造業者協会 (NEMA) によって LI 1 規格に基づいて定義されたグレード分類。これは、UL94 V-0 可燃性要件を満たすために臭素ベースまたはリンベースの難燃剤システムを樹脂に組み込んだ、エポキシ樹脂マトリックスに埋め込まれたグラスファイバー織布強化材を規定しています。

FR4が優勢だった プリント基板の材質 1970 年代以降、事実上すべての主流のエレクトロニクス用途において、初期のフェノール紙ラミネート (FR1、FR2) や綿ガラス複合材料 (FR3) に取って代わりました。競争力のあるコストでの電気絶縁性能、機械的強度、寸法安定性、耐湿性、加工性の組み合わせは、同等の価格帯の単一の代替材料の追随を許しません。推定 全リジッドプリント基板基板の90%以上 世界中で生産されている製品は、基質として FR4 または誘導体配合物を使用しています。

「FR4」という用語は、技術的には完成した基板ではなく、積層材料、つまり誘電体ベースを指します。アン FR4基板 ボード または FR4プリント基板 は、基板が FR4 ラミネートで、片面または両面に銅箔層が接着され、エッチングおよび穴あけプロセスを通じて導電性トレース、パッド、およびビアが形成された完成した基板です。

FR4 材料特性: 完全な技術プロファイル

FR4 の材料特性はメーカーや特定の配合によってある程度異なりますが、以下の値は、IPC-4101 スラッシュ シート /21 および /24 (最も一般的な商用グレード) に指定されている汎用 FR4 ラミネートの確立された標準範囲を表しています。設計エンジニアが参照する FR4 材料データシート は、特定の製品に対してメーカー固有の値を信頼できるものとして扱う必要がありますが、以下の数値は予備的な設計計算としては信頼できます。

誘電特性

の FR4の誘電率 — 比誘電率 (Dk または εr) とも呼ばれる — は、PCB 設計で最も参照されるパラメーターの 1 つです。これは、信号の伝播速度と、制御されたインピーダンス配線のインピーダンスを決定します。標準 FR4 には、 誘電率約4.2～4.6 1 MHz で測定され、一般に設計基準として 4.3 または 4.4 として引用されます。より高い周波数 (1 GHz) では、 FR4の比誘電率 通常、エポキシとガラスの複合材料の周波数分散により、4.0 ～ 4.2 の範囲に低下します。

この周波数依存性は、高速デジタルおよび RF 設計における標準 FR4 の重大な制限です。約 1 ～ 2 GHz を超えると、 FR4の比誘電率 周波数の変化は、伝播遅延の変動、差動ペアのスキュー、公称値からのインピーダンスの偏差など、信号の完全性の問題を引き起こすほど重大になります。低損失 FR4 バリアントと専用設計の高周波積層板 (Rogers、Isola、Taconic) は、より高いコストでこの問題に対処します。

の dissipation factor (Df, loss tangent) of standard FR4 is 1MHzで0.017～0.025 、周波数とともに上昇します。比較のために、Rogers RO4003C の Df は 0.0027 で、およそ 1 桁低く、これが標準の理由です。 FR4誘電体 この材料はマイクロ波やミリ波の用途には使用されません。

機械的性質

FR4 は、優れた曲げ強度を備えた硬くて剛性の高いラミネートです。

• 曲げ強度(長さ方向): 415～550MPa
• 引張強さ: 310～410MPa（長手方向）
• ヤング率(面内): 約18～24GPa
• 圧縮強度: 415MPa（積層板に垂直）
• ロックウェル硬度 (M スケール): 110

のse values make FR4 substantially stronger than thermoplastic PCB substrates and sufficiently rigid for automated PCB assembly processes including pick-and-place, wave soldering, and reflow without requiring fixture support for standard board thicknesses (1.0–3.2 mm).

のrmal Properties

のrmal performance is the most commonly cited limitation of FR4 in power electronics and high-dissipation applications:

• のrmal conductivity of FR4: 0.25～0.35W/(m・K) 面内。積層体に垂直方向では約0.3W/(m・K)。これは、アルミニウム (205 W/(m・K)) や銅 (385 W/(m・K)) に比べて非常に低いため、熱の要求が厳しい設計ではサーマル ビア、銅ポア、メタルコア PCB 基板が使用されます。
• ガラス転移温度 (Tg): 標準 FR4 — 130 ～ 140 °C。中間 Tg FR4 — 150 ～ 160 °C。高 Tg FR4 — 170 ～ 180 °C。 Tg を超えると、エポキシ マトリックスが軟化し、材料の寸法安定性が失われます。鉛フリーはんだ付けプロセスの最高温度は 260°C に達するため、RoHS 準拠のアセンブリには高 Tg FR4 が指定されています。
• 分解温度(Td): 標準グレードの場合は 300 ～ 340°C。信頼性の高いハロゲンフリー配合の場合は 340°C 以上。
• 比熱容量: 約1.0～1.1J/(g・K)

熱膨張係数 (FR4 の CTE)

の FR4のCTE は異方性です - 面内 (x-y) 方向と面外 (z 軸) 方向で大きく異なります。

• CTE x-y (面内): 14 ～ 17 ppm/℃ (Tg 以下)
• CTE z 軸 (厚さ方向): 50 ～ 70 ppm/℃ (Tg 以下); Tg を 200 ～ 300 ppm/℃上回る

の high z-axis CTE is the principal cause of barrel cracking in plated through-holes (PTH) during thermal cycling. The z-axis expansion stresses the copper barrel of the via, which has a CTE of only 17 ppm/°C, creating fatigue cracks at the knee radius after repeated thermal excursions. This is a design-life concern in high-cycle environments such as automotive and industrial electronics, and it drives the specification of high-Tg or halogen-free FR4 variants with lower z-axis CTE.

物理的特性

• FR4 材料密度: 1.85 ～ 1.95 g/cm3 (標準的なガラスエポキシ FR4 の場合、通常は 1.9 g/cm3 として引用されます)。の FR4材の密度 は主にガラス繊維の体積分率と樹脂系によって決まります。ガラス含有量が増えると密度が増加します。ハロゲンフリー樹脂の充填量が異なると、密度がわずかに変化する可能性があります。
• 吸水量（24時間浸漬）： 0.10 ～ 0.20 重量% — ほとんどの動作環境で電気絶縁性能を維持するのに十分な低さ
• 体積抵抗率: 10⁸–10¹⁰MΩ・cm
• 表面抵抗率: 10⁴–10⁶MΩ
• 絶縁破壊強度: 20～50 kV/mm (積層体に垂直)
• 可燃性評価: UL 94 V-0

とは何ですか PCB レイアウトと FR4 プロパティが設計上の決定に与える影響

PCB レイアウト 電子コンポーネントを配置し、プリント基板上でそれらを電気的に接続する銅のトレース、プレーン、ビアを配線するプロセスです。レイアウトは、回路図のキャプチャ後に EDA (電子設計自動化) ソフトウェアを使用して実行され、FR4 の誘電率、熱伝導率、CTE などの基板材料の物理的特性が設計の選択に直接影響する段階です。

の four FR4 properties most directly relevant to PCB layout decisions are:

• 誘電率 (Dk): マイクロストリップとストリップラインの配線のインピーダンスを決定します。標準 FR4 (Dk ≈ 4.3) の 50 Ω マイクロストリップ トレースには、Rogers RO4003C (Dk = 3.55) の同じトレースとは異なる幅の計算が必要です。インピーダンス計算では、一般的な数値ではなく、指定されている特定の FR4 ラミネートの正しい Dk 値を使用する必要があります。
• のrmal conductivity: 熱伝導率が低い (0.3 W/(m・K)) ということは、コンポーネントから発生した熱が基板全体に伝わりにくいことを意味します。レイアウトは、サーマル リリーフ設計、グランド プレーンに接続された銅注入エリア、パワー MOSFET、レギュレータ、RF パワー アンプなどの高放熱コンポーネント下のサーマル ビア アレイによって補償する必要があります。
• CTE の不一致: FR4 の面内熱膨張率約 14 ～ 17 ppm/℃は、多くの IC パッケージの CTE に近いですが、同一ではありません (シリコン: ～ 2.6 ppm/℃、セラミック: ～ 6 ～ 7 ppm/℃、FR4 に適合する BGA パッケージ: ～ 14 ～ 16 ppm/℃)。 CTE の不一致が大きいコンポーネントの場合、アンダーフィルの適用、IPC-9701 に準拠した熱サイクル テスト、および基板ストレス ポイント (コーナー、取り付け穴) から離れたコンポーネントの配置が標準的なレイアウト手法です。
• 損失正接: FR4 での信号減衰は、Df が比較的高いため、周波数とともに急激に増加します。 2 ～ 3 Gbps を超える信号を伝送する差動ペアの場合、完全に異なる基板材料に切り替える前に、配線長の最小化、層遷移の最小化、および低損失 FR4 バリアントの検討がレイアウト レベルの緩和戦略となります。

FR4 バリアント: 標準、高 Tg、ハロゲンフリー、FR1 の比較

全部ではない FR4基板材質 は同等です。基本指定は、樹脂システムと充填剤の化学的性質に応じて大幅に異なる性能プロファイルを持つ配合ファミリーをカバーします。

標準 FR4 (Tg 130 ～ 140°C)

の baseline formulation, adequate for consumer electronics, general industrial, and telecom applications processed with tin-lead solder (peak reflow ~220°C). Not recommended for lead-free reflow without confirmation that the specific laminate product is rated for 260°C peak process temperatures.

高Tg FR4（Tg 170～180℃）

Tg を 170 ～ 180°C に上昇させる変性エポキシ樹脂 (多くの場合、多官能性エポキシまたはシアネート エステルのブレンド) が配合されています。これにより、鉛フリー処理の熱マージンが大きくなり、Z 軸 CTE が低減され、ビア密度の高い多層基板の層間剥離耐性が向上します。 High-Tg FR4 は、自動車、産業、サーバー、および軍事関連のアプリケーションにおける標準仕様です。

ハロゲンフリーFR4

従来の FR4 は臭素ベースの難燃剤 (テトラブロモビスフェノール A、TBBPA) を使用しており、燃焼すると有毒な臭化水素ガスが発生します。ハロゲンフリーのバリアントでは、これらをリン窒素または三水酸化アルミニウム (ATH) 難燃剤システムに置き換えます。ハロゲンフリー FR4 は臭素化同等品と比べて Dk が低く (通常 3.8 ～ 4.2)、機械的特性がわずかに異なります。 RoHSおよびREACHの枠組みに基づく欧州の家庭用電化製品や特定の自動車サプライチェーンでは、その義務化がますます進んでいます。

プリント基板 FR1 材料と FR4 の比較

PCB FR1 は、ガラス繊維とエポキシの複合材料ではなく、フェノール紙ラミネート（フェノール樹脂を含浸させた紙基材）です。 FR4 よりも大幅に安価で、ドリルではなくパンチできれいに加工でき、リモコン、玩具電子機器、単純な電源基板など、コスト重視のアプリケーション向けの単純な片面 PCB に使用されます。 FR1はFR4に比べて電気絶縁性、耐湿性、機械的強度が著しく劣ります。 回路基板 材料であり、多層構造、ファインピッチ部品の配置、または熱サイクルや湿度暴露下での信頼性が必要な用途には適していません。

FR4 が適切な PCB 材料ではない場合

その優位性にも関わらず、 プリント基板 FR4 材質 アプリケーションの境界が明確に定義されています。どこが不足しているかを理解することは、エンジニアがテスト中に限界を発見するのではなく、最初から正しい基板を選択するのに役立ちます。

• RF およびマイクロ波 (1 ～ 2 GHz 以上): FR4 の Dk と高い Df は周波数に依存するため、マイクロストリップ アンテナ、レーダー フロント エンド、低 GHz 周波数を超える RF マッチング ネットワークには適していません。代わりに、PTFE ベースのラミネート (Rogers、Taconic)、セラミック充填炭化水素ラミネート (Rogers RO4000 シリーズ)、および変性エポキシ低損失材料が使用されます。
• 高出力 LED およびパワー エレクトロニクス: FR4 の低い熱伝導率 (0.3 W/(m・K)) により、高密度電力設計では許容できない接合温度が生じます。アルミニウムまたは銅のコア (誘電体層の熱伝導率 1.0 ～ 3.0 W/(m・K)、およびメタル コア) を備えたメタルコア PCB (MCPCB) は、重要な放熱要件が必要な LED 照明、モーター ドライブ、および DC-DC コンバータ ボードの標準です。
• フレキシブル回路: FR4は硬いです。フレキシブルおよびリジッドフレックス PCB はポリイミド (Kapton) 基板を使用しており、同等の電気絶縁性、はるかに優れた柔軟性、およびより広い温度範囲 (-200°C ～ 300°C 連続) を提供します。
• 130°C を超える高い動作温度が継続的に続く: 標準 FR4 Tg は、連続動作温度を Tg 値よりもはるかに低い温度に制限します。連続高温動作には、ポリイミド ラミネート、セラミック基板、または高 Tg 特殊ラミネートが必要です。

FR4 材料データシートの読み方: 確認事項

アン FR4 材料データシート ラミネート メーカー (Isola、Shengyi、Kingboard、Nan Ya、Ventec、Panasonic) の製品は通常、複数の測定条件にわたる特性をリストします。以下は、エンジニアが最も一般的に必要とする値と、製品を比較する際に注意すべき点です。

• Dk および Df 測定周波数: どの周波数で誘電率が報告されているかを常に確認してください。同じ材料上の 1 MHz での Dk 4.5 と 1 GHz での 4.1 はどちらも正しく、異なる条件を表しています。シグナルインテグリティ作業の場合は、設計周波数または最高動作高調波の値を使用します。
• Tg測定方法： Tg は、DSC (示差走査熱量測定)、DMA (動的機械分析)、または TMA (熱機械分析) によって測定でき、同じ材料に対して異なる数値結果が得られます。通常、DSC は最低の測定値を示します。 DMA が最も高くなります。 IPC-4101ではスラッシュシートごとに試験方法が定められているため、同一方法内でのみ比較してください。
• のrmal conductivity measurement direction: FR4 の面内熱伝導率は厚さ方向よりも高くなります。熱拡散の計算には、厚さ方向の値 (Z 方向) を使用します。エッジ伝導設計の場合は、面内の値を使用します。
• IPC-4101 スラッシュシート準拠: スラッシュシート番号は、ラミネートが満たす最小の性能クラスを示します。 /21 は標準の商用 FR4 です。 /24 は Tg が高くなります。 /26 は高 Tg ハロゲンフリーです。 「FR4」だけでなくスラッシュシートを指定することで、知らないうちに低グレードの材質に置き換えられることを防ぎます。
• CAF耐性: 導電性陽極フィラメント (CAF) 抵抗 (湿気の多い条件での電圧バイアス下でガラス繊維と樹脂の界面に沿った銅フィラメントの電気化学的成長に抵抗する能力) は、自動車および高信頼性の設計で指定されることが増えています。すべての FR4 データシートに CAF データが含まれているわけではありません。高湿度または高電圧環境向けに設計する場合は、明示的に要求してください。