PCB（プリント回路基板）は、現在、電子産業における構成要素の一つとみなされています。電卓などのあらゆる種類の小型電子機器から、大規模なデバイス、プロジェクト、機械まで、あらゆる用途に使用されています。

          

PCBボードの構造は、そのボードが適したプロジェクトやデバイスの範囲を決定します。これは、PCBに使用される材料の種類に基づいており、特定の用途でボードを使用するのに役立ちます。

           

PCB ボード 構造 シルクスクリーン、はんだマスク、銅箔、基板で構成され、その上に部品接続用の導体層が配置されています。

            

PCB ボードの作成にはさまざまな材料が使用され、それが使用されるプロジェクトのパフォーマンス、動作寿命、品質を決定します。

         

ここでは、PCB基板に使用される様々な種類の材料について解説します。それぞれの材料は異なる機能を持ち、基板の仕様にも影響を与えます。それでは始めましょう。

           

主な PCB コンポーネントは何ですか?

            

PCB ボードの主なコンポーネントをここに示します。

               

  •  基板（基材）

              

  •  銅層

               

  •  はんだマスク

              

  •  シルクスクリーン

              

  •  伝導経路

                  

PCB ボードのすべてのコンポーネントの重要性は否定できず、各コンポーネントは PCB の動作にとって重要な役割を果たします。

               

 基板（基材）

                   

ベース材料には通常エポキシ樹脂が含まれており、銅箔の混合物が使用されます。

                  

PCB基板またはベース材料は、PCBを構成する主要部品であり、他のすべてのPCB部品が配置される場所です。回路の基盤として機能し、基板上に接続された部品に不可欠な機械的支持を提供します。

                   

様々なベース材料には、ボードの信頼性を高め、接続機器で優れたパフォーマンスを発揮する上で役立つ特性があります。そのため、ベース材料を適切に使用することで、ボード構造の正確な性能が決まります。

                 

基板の材質も、ボードの物理的特性を知る上で役立ちます。例えば、ボードの耐久性を高めるために硬質素材が使用されている場合、フレキシブルなベースを使用することでボードは柔軟になり、簡単に曲げることができます。

         

 銅層

               

基板材料に銅層が施されます。PCB基板の種類に応じて、片面基板の場合は片面に、多層基板の場合は複数の面に銅コーティングが施されます。

            

これらの銅層は、トランジスタ、ダイオード、インダクタなど、ボード上に接続されたさまざまな部品間で電気信号または電流を流すために使用されます。これらの層から信号を取得した後、接続されたコンポーネントはそれぞれの機能を実行します。

              

 はんだマスク

       

        

ソルダーマスクは、銅層に塗布される保護ポリマー層です。LPISM（Liquid Photo-Imagable Solder Mask）とも呼ばれます。主な機能は、銅層同士の相互作用を防ぎ、短絡の発生を防ぐことです。

                   

この層は、酸化やはんだブリッジの生成など、さまざまな環境要因から基板を保護します。

                           

 シルクスクリーン

            

                     

シルクスクリーンは、インクの痕跡で作成されたレイヤーであり、さまざまなコンポーネントの接続、ボードの部品、コンポーネントのシンボル表現、および関連プロジェクトのその他の詳細を見つけるのに役立ちます。

                            

シルクスクリーンの別名は基板の名称です。シルクスクリーンは部品が接続される面に塗布されますが、基板によってははんだ付け面に塗布されているものもあります。

             

 伝導経路

           

設計に応じて、PCB基板の片面または両面に銅製の導電経路が施されます。導電経路の上には、導体をあらゆる環境要因から保護するはんだマスクが施されます。

      

一般的な PCB 材料は何ですか?

  

PCBボードの種類やプロジェクトの要件に応じて、さまざまな種類の材料が使用されます。一般的に使用される材料は次のとおりです。

          

 FR-4

                

FR4は難燃性（Flame Retardant）の略で、PCB基板によく使用される材料です。低コストでありながら、高い絶縁強度と絶縁性を備えています。

                 

FR4はガラス強化エポキシ積層板で、エポキシは耐候性と難燃性を備え、高い引張強度も備えています。

              

コスト効率に優れた機能を備え、ボード製造に適したさまざまな製造プロセスと互換性があります。

             

この材料の誘電正接は約0.015～0.025、誘電率は4.2～4.8です。これらの値は製造技術によって異なる場合があります。

                  

この材料のガラス転移温度値は 105 ～ 130 ℃ です。

          

             

 高温材料

                

高温材料（高Tgとも呼ばれる）は、様々な温度条件に対応できるように作られています。Tg値が150度を超える場合、使用される材料は高温用とみなされます。

                  

PCB ボードに最も一般的に使用される高温材料は、セラミック基板とポリイミドです。

                                                                              

ポリイミド材料の耐熱温度は約280℃～350℃です。また、熱膨張係数が低いため、熱サイクル時の剥離を抑制します。

           

アルミニウムと窒化アルミニウムは、PCBの製造に使用されるセラミックベースの材料です。高い熱伝導率により、熱を効果的に放散し、基板上の接続部品からの発熱を抑えるのに役立ちます。

                 

 柔軟な素材

            

フレキシブル素材の主な用途は、硬質基板では電気性能を維持しながらフレキシブルな機能を提供できない用途です。そのため、フレキシブル素材は航空産業や医療機器など、様々な用途で使用されています。最も一般的なフレキシブル素材はポリエステルです。

           

ポリエステル素材はポリエチレンテレフタレート (PET) とも呼ばれ、優れた電気特性を備え、腐食や湿気に強いため、PCB の製造に使用されます。

                    

 金属コア材料

              

優れた放熱特性が求められる用途では、FR4材の代わりに金属コアPCB材が使用されます。これらの材料は、基板上で動作中に発熱するLEDライトなど、様々な高出力部品の動作時に発生する熱を、PCBの金属コアへの熱の影響に適切に処理する特性を備えています。

                 

メタルコアボードに最も一般的に使用される金属はアルミニウムですが、用途によっては銅も使用されます。銅の代替としてアルミニウムが使用される主な理由は、その低コストです。

                 

金属コアは、接続された重要なコンポーネントから熱を低発熱領域へと移動させます。メタライズドコアボードの表面には、導電性、放熱性、金属性の基板層が積層されています。

                    

金属コアPCBの主な種類は

                       

·   単層MCPCB

         

·   COB MCPCB

              

·   二層MCPCB

          

·   両面MCPCB

          

·   多層MCPCB

           

PCB材料特性とは?

              

PCB ボード材料を選択する前に確認する必要がある主な特性を次に示します。

                 

誘電率

                 

誘電率は、電界の形でエネルギーを蓄えるために選択された材料の特性を定義する要素です。

              

Dk値は数値で示されます。この係数は基板の電気的性能に影響を与えます。これは、真空を基準としてPCBに使用される材料の比誘電率の値を定義します。

              

誘電値の低い材料は、高速信号伝播を実現する高周波プロジェクトに使用されます。

               

材質別のDK値は以下の通りです。

            

·   FR4: 4.2～4.8

           

·   ポリイミド：3.2～3.6

            

·   液晶ポリマー（LCP）：2.9。

                  

散逸係数

                     

この係数は、材料の電気エネルギー損失を説明するもので、損失正接とも呼ばれます。これは、材料のエネルギー貯蔵量を説明します。この係数はRF回路で考慮されます。FR4材料の誘電正接の値は0.015です。

             

熱伝導率

                

材料の熱伝導率は、高出力コンポーネントが使用されるプロジェクトにとって重要な要素です。

              

これは、ボード上の接続部品が動作時に発生する熱を材料が放散する能力に反するものであることから、ワット/メートルケルビン（W/mk）が測定単位となります。KまたはTCで表されます。

                 

これはPCBの放熱特性を決定する主な要因です。TC値の高い材料はより多くの熱を放散し、基板の良好な動作を実現します。

                   

アルミニウムの熱伝導率は約1W/mK～3W/mKと高く、優れたTC特性を備えています。一方、FR4の熱伝導率は約0.3W/mKと低いため、放熱が困難です。

              

機械的強度

                     

PCB 用に選択された材料は、ストレス条件に容易に対処できること、柔軟性、剛性など、適切に動作するためのいくつかの機械的特性を備えている必要があります。

               

材料を選択する前に、高圧や機械的な力が加わる用途で使用する場合は、衝撃や振動に容易に耐えられるかどうかを確認してください。

             

CTE

              

CTEとは、加熱によって特性を示す材料の熱膨張係数です。材料が温度上昇によって急激に膨張すると損傷するため、CTEの値は限られた範囲内に収める必要があります。

                   

電気強度

                  

材料の電気的な処理能力 内訳 電気強度と呼ばれます。電気強度の値はボルトで測定されます。

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適切な PCB 材料を選択するにはどうすればよいですか?

PCBに選定された材料は、適切な熱管理機能を備えている必要があります。これは、長時間動作に最適な特性です。選定された材料が適切に放熱されない場合、熱は接続された部品の動作に影響を与え、デバイスの効率を低下させます。基板の発熱を制御するための最良の方法は、ヒートシンクを使用するか、放熱性に優れた金属材料を選択することです。

 

材料費

 

PCBの製造コストは、基板に使用する材料の選択によって決まります。材料費は基板の設計と層数によって決まります。基板の製造に特殊な材料を使用する場合、それもコストを増加させます。基板の層数が増えると、コストも高くなります。高周波材料は高価です。しかし、良質な材料を使用することで、プロジェクトと接続デバイスの寿命を延ばすことができます。

 

製造技術

 

製造技術もまた、良質なPCB材料を使用する上で重要な要素です。PCBの製造には、スルーホールと表面実装技術（SMT）という2つの一般的な技術が用いられます。選定する材料は、これらの製造方法と互換性があり、優れた応力管理機能を備えている必要があります。

PCB基板は現在、世界中のほぼすべての産業に利用されており、様々なプロジェクトやデバイスの製造に使用されています。そのため、PCB基板の信頼性は維持されなければなりません。 信頼性と耐久性に優れたPCB基板には、特殊なプロジェクトのPCB要件を容易に満たす、標準的で高品質な材料が必要です。PCBには、最も一般的なFR4をはじめ、ポリイミド、ポリエステル、一部の金属など、様々な種類の材料が使用されています。高品質な材料は、優れた熱性能、機械的特性、放熱係数を備え、酸化や腐食などのさまざまな環境条件に対応できる必要があります。また、環境に優しく、人体に無害で、リサイクルが容易であることも重要です。材料の選択は、プロジェクトと回路の要件に基づいて行う必要があります。