🧪 PCB Materials / 材料

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📑 目次 / Table of Contents

🏗 概要 / Overview
🎯 設計ゴール / Design-Targets
🔑 キートピック / Key-Topics
📊 代表的材料 / Typical-Materials
🧮 電気特性と数式 / Electrical-Properties–Formulas
🔥 熱特性 / Thermal-Properties
🌱 環境規格 / Environmental-Standards
🧩 DFM/信頼性考慮 / DFM–Reliability
✅ チェックリスト / Checklist
🧭 ドキュメント雛形 / Handoff-Template
🔗 関連リンク / Related-Links
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🏗 概要 / Overview

PCB材料は信号品質・電力安定性・熱設計・機械強度・信頼性を同時に規定します。
PCB materials determine signal quality, power stability, thermal design, mechanical strength, and reliability.

FR-4：最も普及、低コスト、だが高速 (>5 Gbps) では損失増。
低損失材（Rogers, Megtron, Nelco）：10–100 Gbps級の高速伝送、RF、5G基地局などで必須。
ポリイミド：高耐熱用途（航空宇宙、軍事）。

🎯 設計ゴール / Design Targets

ターゲット信号速度に応じた Dk（比誘電率）とDf（損失正接） を選択する。
Select Dk/Df based on signal speed.
熱負荷・放熱経路を考慮し、熱伝導率の高い材を選定。
Choose materials with adequate thermal conductivity.
環境規格（RoHS, halogen-free, UL94V-0）準拠を確保。
Ensure compliance with RoHS, halogen-free, UL94V-0.

🔑 キートピック / Key Topics

FR-4の限界：10 Gbps以上で挿入損失増大
Dk・Dfの管理がインピーダンス制御・SIに直結
樹脂系 vs セラミック系の特性比較
熱膨張係数（CTE）がBGA実装信頼性に影響

📊 代表的材料 / Typical Materials

| 材料 / Material | Dk (10GHz) | Df (10GHz) | 熱伝導率 W/m·K | 用途 / Applications | |—————–|———–|————|—————-|———————-| | FR-4 (Standard) | 4.2 | 0.020 | 0.3 | 汎用多層基板 | | FR-4 (High-Tg) | 4.1 | 0.018 | 0.3 | 高信頼性用途 | | Rogers 4350B | 3.48 | 0.0037 | 0.62 | RF/マイクロ波回路 | | Rogers 3003 | 3.0 | 0.0013 | 0.5 | 低損失ミリ波/5G | | Megtron 6 | 3.4 | 0.0020 | 0.5 | 10–56 Gbps高速通信 | | Nelco SI | 3.2–3.4 | 0.002–0.004 | 0.4 | ネットワーク機器 | | Polyimide | 3.5 | 0.004 | 0.2 | 高耐熱・航空宇宙 | | AlN基板 | ~8.9 | ~0.0005 | 150–200 | 高放熱・高周波パワー素子 |

🧮 電気特性と数式 / Electrical Properties & Formulas

伝搬速度

\[v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_{eff}}}\]

挿入損失

\[\alpha \approx \frac{\pi f}{c} \sqrt{\mu_r \varepsilon_r} \cdot Df\]

🔥 熱特性 / Thermal Properties

FR-4: k ≈ 0.3 W/m·K, CTE ≈ 70 ppm/°C
高熱伝導材 (AlN): k ≈ 150–200 W/m·K
Tg: FR-4 = 130–170 °C, Polyimide = 250 °C+

🌱 環境規格 / Environmental Standards

RoHS：有害物質制限
Halogen-free：燃焼時有毒ガス低減
UL94V-0：難燃性

🧩 DFM & Reliability

ファブ標準材を優先選定 → コスト削減
高速設計では周波数依存Dk/Df確認必須
高Tg材でリフロー耐性・クラック防止
熱サイクル信頼性試験を考慮

✅ チェックリスト / Checklist

Dk/Dfはターゲット周波数に合致？
熱伝導率とTgは要求に適合？
CTEはBGA信頼性に問題ない？
RoHS/UL94V-0に準拠？
ファブ標準材か？

🧭 ドキュメント雛形 / Handoff Template

項目 / Item	説明 / Description	Links
📖 Stack-up	層構成とインピーダンス管理 Layer stack-up and impedance management
📖 Impedance Control	インピーダンス設計と制御 Impedance design & control
📖 Reliability	材料信頼性・環境試験 Material reliability & environmental tests
📖 Appendix: Fiber Issues	ガラスファイバー由来の構想不具合 Fiber-induced structural issues (CAF, via offset)

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