FR4材料とは何ですか？

FR4材料とは何ですか？

選ぶ 適切なPCB材料 は、電子プロジェクトの性能、信頼性、コストにとって極めて重要です。 FR4 PCB材料 は、プリント回路板業界で最も広く使用されている基材です。この包括的なガイドでは、なぜFR4が標準なのか、その主要な特性、利点と限界、適切なFR4材料を選ぶためのヒント、および他のPCB材料との比較について詳しく説明します。

FR4とは？

FR4 は 難燃性4 は、ガラス繊維強化エポキシ積層板です。この複合構造により、FR4は優れた機械的強度、良好な電気絶縁性、そして重要な耐炎性を備えており、PCB製造におけるデフォルトの選択肢となっています。

FR4の定義：単なる名称以上の意味

FR4 「 難燃性4 」を意味し、特定のグレードを指しています ガラス繊維強化エポキシラミネート pCBの基材として使用される材料です。「FR」は電子機器の安全規制に不可欠な難燃性を意味し、「4」はさまざまな難燃性材料（FR1、FR2、FR3、FR5など）の中での規格番号です。

FR4は 織りガラスファイバーキャンバス 高ガラス転移エポキシ樹脂と結合した 高ガラス転移エポキシ樹脂 から構成される複合材料であり、これにより 機械的強度が高く、電気絶縁性があり、かつ難燃性を持つ 材料となり、単層のプロトタイプから複雑な多層高速設計まで、幅広い PCB用途 において基板として最適です。

重要なポイント:

• FR： 難燃性、安全性にとって極めて重要
• 4：ガラス繊維強化エポキシ樹脂の組成を示す

FR4材料の特性

• 難燃性： 自己消火性があり、火災の拡大を防ぐ。
• 電気絶縁： 高い電気絶縁性を持ち、PCB配線を絶縁する。
• 機械的強度 耐久性に優れ、軽量かつ衝撃に強い。
• 誘電率（Dk）： 4.2～4.8（メーカーおよび厚さにより変動）；インピーダンスおよび信号整合性に影響を与える。
• 散逸係数 (Df): 通常0.02。特に高周波数帯域での信号損失に影響を与える。
• 吸湿性: 0.2%未満。湿気の多い環境でも特性を維持する。
• ガラス転移温度（Tg）： 通常135–180°C。

メーカー別の物性比較

FR4 PCB材料の種類

• 標準FR4： 一般用途向け（TG 135–150°C）。
• 高TG FR4： より高い温度（最大180°C）に耐えることが可能。鉛フリーはんだ付けおよび自動車用途に最適。
• 高CTI FR4： 比較追跡指数（CTI）が高い。電気的トラッキングに対する耐性が向上。
• 銅張積層板のないFR4： 絶縁、非導電性アプリケーションに使用されます。

PCBにおけるFR4の利点

• 手頃な価格： 試作、小規模および中規模生産に最適です。
• 軽量で強さ: 優れた強度対重量比。
• 吸水率が低い： 湿気や水分の多い環境でも信頼性があります。
• 良好な絶縁体： 回路の分離と信号の完全性を維持します。

FR4基板の欠点と制限

• 高熱アプリケーションには不向き： 最大TGは約180°Cで、航空宇宙用途や過酷な電力電子用途には不適切です。
• 鉛フリーはんだ付け： 熱劣化なしに250°Cを超える温度に耐えることが困難です。
• 高周波数限界： Dkの変動および高いDf値により、高速、RF、マイクロ波回路に影響を与える可能性があります。
• 製造上の問題： 織り出し、クラック、メスリング、層間剥離が、適切に処理しない場合に発生する可能性があります。

FR4と他のFR規格の比較

FR4 PCBの用途

• 消費者電子機器： スマートフォン、ウェアラブル機器、家電製品。
• 産業用制御： 自動化、計測装置。
• LED照明： LEDアレイ用PCB。
• 自動車回路： 標準モジュール。
• プロトタイピング： 価格が手頃で加工が容易なため。

IMSとFR4の比較： IMS（絶縁金属基板）PCBは放熱のために金属ベースを使用するのに対し、FR4は信号整合性と汎用用途に最適です。

FR4がPCB製造で使用される方法

• 絶縁バックボーン： 単層／二層／多層PCBにおける銅層間の芯材。
• 銅積層： 銅箔の層がFR4に貼り合わされ、回路パターンを形成するためにエッチングされる。

適切なFR4厚さの選び方

• 薄型FR4（0.2～0.6 mm）： 小型で軽量、柔軟性のある回路アセンブリ。
• 標準FR4（1.0～1.6 mm）： 一般的な民生用および産業用PCBに使用。
• 厚手のFR4（最大3.2 mm）： 電源回路、コネクタ、高機械的応力用途。

考慮すべき要素:

• サイズと重量の制約
• 部品の高さ
• 電気インピーダンスを提供します
• 必要な柔軟性または剛性

適切なFR4材料を選ぶためのヒント

• ピークはんだ付け温度にTG値を合わせてください。
• 信号を扱う設計では、Dk値の一貫性を確保してください。
• 高周波または高電圧用途の場合、High CTIまたはHigh TGタイプを検討してください。
• 湿気の多い環境または屋外使用の場合は、吸湿率の低いタイプを選んでください。

FR4 PCBのコスト要因

• 1平方インチあたりのコスト： 厚さ、銅箔重量、TGタイプ、発注数量、表面処理によって異なります。
• 大量注文について： 数量が多いほど、単価は低くなります。

業界標準：IPC-A-600およびFR4

IPC-A-600 はFR4 PCB材料の品質基準を定めており、以下の項目を含みます：

• 織物露出の許容範囲
• 許可されるテクスチャおよび内部状態
• PCBの信頼性に関する、メスリング、クラック状割れ、層間剥離のしきい値

なぜFR4 PCB材料について学ぶ必要があるのか？

設計エンジニアであれ、電子部品調達の意思決定担当者であれ、 FR4材料の特性 を理解することは以下の点で役立ちます：

• 選択する PCB基板材料 の予算と技術的要件への適合。
• 長期的な保証 PCB信頼性 および製品の安全性。
• 完成品における 信号喪失 , 阻力マッチング や機械的故障の問題を回避すること。
• UL、IPC、RoHSなどの業界標準への準拠のナビゲート

FR4材料の構造

何がそれをこれほど効果的で多用途なものにしているのかを分解してみましょう Fr4 material 非常に効果的で多用途である理由:

• ガラス繊維（織物層）: この基材は優れた 機械的強度 寸法安定性および剛性を提供し、ストレスや振動、熱サイクルが加わっても 電子化 形状を保つことができます。
• エポキシ樹脂（バインダー／マトリックス）: エポキシ樹脂はガラス繊維を覆い込む「接着剤」であり、優れた特性を実現します 電気隔熱 そして優れた耐化学性を備えています。その ガラス転移温度（Tg） 最大使用温度を決定します。

これら一連の構成要素により、基材は 優れた電気的特性、低水分吸収性、および高い難燃性を実現します .

FR4 PCB材料の構造

*注：銅箔およびソルダーマスクは、FR4シート自体の一部ではなく、材料全体の一部ですが、FR4の特性と密接に相互作用します。 PCB製造プロセス 、FR4シート自体の一部ではありませんが、FR4の特性と密接に相互作用します。

FR4の主な特徴

• 炎阻害性: UL94-V0に適合。炎を除去後10秒以内で自己消火します。
• 高い絶縁強度 ：銅配線間の電気的絶縁を維持します。
• 機械的強度 ：優れた寸法安定性と反りへの耐性を備えています。
• 耐湿性： 水分吸収率が低く（<0.2%）。湿度による性能低下はほとんどありません。
• ガラス転移温度（Tg）： 130°C（標準）から200°C（高Tg FR4）までの範囲です。
• コスト効果： 業界でも特に優れた価格対性能比を実現しています。

簡単な一覧表：FR4の概要

FR4 電子回路板製造

FR4 PCB基板 消費電子機器だけでなく, 工業用,自動車用,軍事用,航空用PCB わかった 材料のバランスの取れた特性により, 透孔部品,縁コンネクタ,溶接マスクのアプリケーション,多層PCBアーキテクチャ 更に

引用： fR4のような炎阻害ガラス強化エポキシの革新がなければ,現代の電子機器の信頼性とアクセシビリティは不可能だったでしょう. 材料科学者のトップ,グローバルPCBメーカー

PCB 設計のための FR4 厚さを決定する方法

FR4 の 厚さ が 重要 な 理由

FR4 PCBの厚さ pCBの信頼性と機能のいくつかの側面に直接影響します。

• 信号の完全性 ：基板が厚いまたは薄いことは、特に高周波およびRF回路基板設計において重要な、制御インピーダンスや伝送線路の幅に影響を与えます。
• 機械的強度 ：厚手のFR4は、重い部品やコネクタをサポートし、曲がりや振動に抵抗するために、機械的安定性を高めます。
• スペース効率 ：スマートフォン、ウェアラブル機器、医療機器などのデバイスでは、小型化のために薄型のPCBが必要となる場合があります。
• 熱管理 ：厚手の基板は電力電子機器において熱をより効率的に分散できますが、適切に設計されていない場合は熱を閉じ込める可能性もあります。
• 費用 ：厚手の基板は通常、より多くの材料を必要とし、ドリル加工、メッキ、積層などの製造工程においてコストが高くなる傾向があります。

一般的なFR4の厚さの選択肢

カスタム厚さも可能ですが、標準サイズを使用することで PCB製造プロセス 設計および一般的な実装作業との互換性を確保でき、迅速な参照が可能です。

面白い事実 FR4基板における最も一般的な産業規格の厚さは 1.6 mm（0.063インチ） —耐久性、製造性、およびほとんどの部品やエッジコネクタ形状との互換性のバランスが取れた理想的な厚さです。

PCB用の適切なFR4厚さを選択する方法

FR4厚さ選定における主な考慮事項

決定する際に評価すべき最も重要な要素は次のとおりです FR4材料の厚さ プリント基板設計の場合：

1. 用途および使用環境

• ウェアラブル機器および多機能IoTデバイス 軽量かつコンパクトにするために、超薄型PCB（0.2～0.8 mm）を必要とする場合が多いです。
• 自動車、産業用制御装置、軍事・航空宇宙用PCB 追加の強度を得るために、より厚いFR4（1.6 mm以上）の恩恵を受けます。 機械的強度 振動、衝撃、および環境による損傷に対する耐性。
• 高周波およびRF回路基板 インピーダンス制御のために、正確な積層構成およびカスタマイズされた厚さを必要とする場合があります。

2. 電気的性能：信号完全性およびインピーダンス

• 層間の距離（コアおよびプリプレグの厚さで設定）は、信号伝播に直接影響します。 阻力マッチング および 信号の完全性 .
• 高速設計 フィールドソルバーを使用して、正確なトレース幅および間隔を計算します。このプロセスでは、FR4の厚さをわずかに変更するだけでも、インピーダンス目標値が変化する可能性があります。

3. 部品の外形および実装方法

• 高さのある貫通穴実装部品やエッジコネクタ部品は、堅牢な機械的固定のためにより厚い基板を必要とします。
• 微細ピッチ部品を含むSMT（表面実装技術）基板は、正確な実装が可能なため、薄型PCBを使用できる場合が多いです。

4. 熱的および機械的応力

• 電源用PCB 急激な温度変化にさらされる基板は、より優れた 熱係数 性能と放熱を実現するために、厚みを増す必要がある場合があります。
• 特定のインターコネクトや動的部品（フレキシブル・リジッドPCBなど）には柔軟性が必要ですが、荷重支持やモバイル用途では剛性が重要です。

5. 製造および組立上の制約

• 製造業者の能力や設備により選択肢が制限される場合があります。すべてのPCB工場がカスタム厚さや超薄型基材に対応しているわけではありません。

参考表：FR4の厚さと用途

PCB材料としてFR4を使用する利点

適切な基板の選定は、あらゆる成功したプリント回路基板（PCB）設計の基礎となるものです。その中で Fr4 material fR4は例外的な理由から業界標準として突出しています。基本的な民生機器、産業用機械の多層制御システム、あるいはIoT分野における次世代イノベーションの構築を問わず、FR4は厳しい電気的、熱的、機械的要件に確実に対応する特性を備えており、大手メーカーから小規模なプロトタイピング工房まで、手頃な価格で利用可能です。

概要：FR4 PCB材料の主な利点

FR4基板の用途

FR4基板用途表

なぜロジャースはFR4材料より優れているのか？

高性能プリント回路基板を設計する際、基板材料の選択は極めて重要です。 ロジャース と FR4 は最も一般的なPCB材料の2つですが、どのような場合にロジャースを選択すべきであり、特に高度な用途ではなぜロジャースがFR4より優れていると考えられるのでしょうか？

ロジャース材料とFR4材料の主な違い

ロジャーズがFR4より優れている主な理由

1. 優れた高周波性能 Rogers基板ははるかに低く、より安定した誘電率を持ち、高周波であっても信号損失や歪みを最小限に抑えることができます。これはRF、マイクロ波、5G、航空宇宙などの用途において極めて重要です。

2. 低い信号損失（低減衰係数） 低損失正接のおかげで、Rogers積層板はクリーンで高速な信号伝送を可能にします。一方、FR4は信号をより多く吸収する傾向があり、特に周波数が高くなるにつれて損失が大きくなります。

3. 優れた熱管理性能 Rogers材料はFR4よりも高い温度に耐え、優れた熱的安定性を提供するため、自動車用レーダーや衛星通信など過酷な環境でも信頼性が高いです。

4. 一貫した電気的特性 Rogersは基板全体で均一な信号特性を提供するため、高精度設計において非常に重要です。一方、FR4の電気的特性は温度や周波数によって変動する可能性があります。

いつRogersをFR4の代わりに使用すべきか

• RF、マイクロ波、ミリ波基板
• 高速デジタル回路（データセンター、通信、航空宇宙）
• 先進的な自動車用レーダーおよびセンサー
• 信号の完全性と低損失が重視されるあらゆる用途

FR4はどのような場合に適した選択肢ですか？

• 中程度の速度要件を持つ民生用電子機器および汎用基板
• 高周波性能の厳しい規格がないコスト重視の用途