高Tg PCB（高温PCBソリューション）

電子製品の小型化、高機能化、高性能化に伴い、発生する熱も増加し、動作環境は以前よりも複雑かつ過酷になっています。標準的なPCBは、限られた温度範囲にしか耐えられません。PCBの温度限界を超えると、回路基板が反り、性能が低下し、場合によっては直接故障する可能性もあります。そのため、このような場合には、高Tg PCBまたは高温PCBの使用が不可欠です。

高Tg PCBの主な利点は、より高いTg値、つまりガラス転移温度（Tg）を持つ材料を使用していることです。そのため、高温条件下でも構造安定性を維持し、変形、剥離、性能低下を起こしにくいです。

この記事では、PCB Tg とは何か、なぜますます多くの業界が高 Tg FR4 材料を選択しているのか、そしてプロジェクトに適切な FR4 温度定格を選択する方法について説明します。

PCB の Tg とは何ですか?

Tg（ガラス転移温度）とは、PCB基板材料（FR4など）が硬いガラス状態から柔らかいゴム状態に変化する温度を指します。つまり、温度がこの温度に近づくか、これを超えると、材料は軟化し始め、強度が低下します。例えば、「Tg130」は、PCB基板のガラス転移温度（Tg）が130℃であることを示します。

FR4のガラス転移温度は、FR4材料が構造強度を失い始めるまでに耐えられる温度を定義します。このPCBのTg定格範囲を下回る温度であれば、回路基板は基本的に安定した状態を保ちます。しかし、この範囲を超えると、PCBの膨張や反り、層間剥離（デラミネーション）、ビアやめっきスルーホール（PTH）の亀裂、電気性能の低下、信号の歪みなど、多くの問題が発生する可能性があります。

簡単に言えば、Tg値はPCBが耐えられる最高温度ではなく、材料が剛性を維持できなくなる臨界温度です。信頼性を確保するためには、PCBの動作温度はTg値より20～25℃低いことが望ましいです。

高 Tg PCB とは何ですか?

高Tg PCBとは、基板のベース材料のガラス転移温度（Tg値）が170℃以上の基板を指します。

比較すると、標準 FR4 ボードの Tg は通常 130 ～ 140 °C で、中程度の Tg は通常 150 °C 前後です。Tg が 170 °C を超えると、高温 PCB または高 Tg PCB に分類されます。

回路基板が高電力環境や高温環境で動作する場合、あるいは鉛フリーリフローはんだ付け（ピーク温度が260℃に達する）の場合、標準的なFR4は軟化、変形、さらには剥離する可能性があります。しかし、高Tg PCBは、このような過酷な条件下でも機械的強度、電気絶縁性、寸法安定性、耐薬品性、耐湿性を維持できます。

高Tg PCBが必要な理由

1. 熱と電力密度の課題

自動車用制御ユニット、電力インバータ、産業用駆動装置などの高性能電子システムは、動作中に大量の熱を発生します。PCBの温度制限を超えると、標準的なFR4基板は変形、反り、さらには故障する可能性があります。高Tg PCBは優れた耐熱性を備えており、高温下でも形状を維持し、剥離を防ぐため、長期間にわたる高負荷動作環境に適しています。

2. 鉛フリー製造、RoHS

鉛フリーリフローはんだ付けはRoHS指令に準拠していますが、はんだ付け温度は245～260℃と高く、標準的なFR4のガラス転移温度に近い、あるいはそれを超えることもあります。一般的なPCBでは、この工程で膨れや剥離が発生しやすい傾向があります。高TgのFR4材料を使用することで、これらの問題を回避し、はんだ付け後も基板の平坦性と信頼性を確保できます。

3. 高層数とHDI PCB

多層基板やHDI基板は、ビアが密集し、部品ピッチが狭く、内部構造が複雑であるため、放熱が困難で熱が蓄積しやすく、加熱ムラや基板の損傷につながる可能性があります。そのため、高温対応PCB、つまりTg値が高くZ軸熱膨張率が低い材料を採用することで、ひび割れや剥離を防ぎ、全体的な信頼性を高める必要があります。

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高Tg PCBの主な利点と特性

PCB材料を選ぶ際に、価格や層数だけでなく、高温・高電力環境において長期間安定して動作できるかどうかが真に重要です。まさにこれが高Tg PCBの価値です。標準的な基板と比較して、PCB温度の限界に近づいても構造的な安定性を維持し、電気性能が大幅に低下することはありません。

次の表は、Tg 値が高い、Z 軸 CTE が低い、高 Tg FR4 のより信頼性の高いパフォーマンス、高温 PCB 環境での耐熱性と信頼性が優れているなど、高 Tg PCB の主な利点を明確にまとめたものです。

高Tg PCBの一般的な材料

高Tg PCBの用途

結論

今日の電子製品は、高電力化、小型化、そしてより過酷な動作環境を特徴としています。そのため、回路基板にはより高い温度に耐え、長期的な安定性を確保する必要があります。高Tg PCBは、こうした要求に応えるために精密に設計されています。高いTg値と優れたFR4温度定格により、回路基板の高温、湿気、機械的ストレスに対する耐性を強化します。

多層HDI基板、車載エレクトロニクス、RFモジュールなど、アプリケーション環境が高温かつ大電力である限り、高Tg FR4（高Tg FR4）または高温PCB（高温PCB）をお選びください。いずれも、PCBの温度制限に近づいても回路基板が安定して動作し、性能が低下することはありません。

電子技術は高電力、高密度へと継続的に発展しており、PCB Tg とは何か、適切な PCB Tg 定格を選択する方法、適切な材料を選択する方法を理解することは、もはやオプションではなく、製品の信頼性と安全性を確保するための必要条件となっています。