印刷回路板 (PCB) に使用される材料:製造者向けの一般的なガイド

顧客が人間化したイメージ

印刷回路板 (PCB) は,スマートフォンから宇宙船まであらゆる電子機器の目に見えない骨組みですが,その性能は完全に製造に使用された材料に依存します.スマートフォンの5Gモデムは,信号の断絶を避けるために低損失基板材料に依存します電気自動車のバッテリー管理システム (BMS) は高電流に対応するために耐熱銅ホイルを必要とします.間違った材料を選択すると,早速故障,高価な再加工,危険性 (e)医療機器の過熱など).

このガイドでは PCB を構成する重要な材料や そのユニークな特性や 適切な材料をどのように選択するかについて説明します基礎基板や伝導性のある銅葉から 保護用溶接マスク,信頼性を高める表面仕上げまでアメリカ製の製造基準に合わせた データに基づく比較や実用的な使用事例を 提供していますこの材料を理解することは,PCBを製造する鍵です.持続可能であり,コスト目標を達成します.

主要 な 教訓
a.基板材料 (例えばFR4,ロジャーズ,ポリミド) は,PCBの熱,電気,機械性能を決定する.FR4は消費者の80%のアプリケーションに理想的です.ロジャースは5G/mmWave設計で優れています.
b. 銅の薄膜の厚さ (1oz5oz) とタイプ (電解対ローリング) 影響の電流容量: 2ozの銅は30A+電流を処理します (EVにとって重要です).ローリングされた銅はウェアラブルに柔軟性をもたらします.
c.溶接マスク (主に緑色のLPI) は,自動車および産業用PCBに必要な高温変数 (Tg ≥150°C) で,腐食と溶接橋からの痕跡を保護します.
d.表面仕上げ (ENIG,HASL,ENEPIG) は溶接性と寿命を決定します.ENEPIGは医療/航空宇宙のゴールドスタンダードであり,HASLは低信頼性のデバイスではコスト効率的です.
e.材料選択の誤りは,PCBの故障の35%を引き起こします (IPCデータ) 材料をアプリケーションのニーズ (例えば温度,周波数,電流) にマッチすることで,フィールドの故障率が50%削減されます.

1PCB基板材料:性能の基礎
基板は,銅の痕跡,部品,および他のPCB層を保持する導電性のないベースである.
a.熱伝導性:PCBが熱をどれだけ散散らすか (IGBTのような高電力部品にとって極めて重要です).
b.電解常数 (Dk):電信をどの程度隔離する (低Dk=より優れた高周波性能).
c. 機械的強度: 歪み,曲がり,裂けに耐える (荒い環境の鍵)

下記は最も一般的な基板材料であり,選択に役立つ詳細な比較です.

基板 の 選択 が 重要 な 理由
a.消費者電子機器:FR4は低コストで十分な熱性能 (0.3W/m·K) で,スマートフォンやタブレットの1~5Wの電力需要に対応する.iPhone 15 の 6 層 FR4 PCB のコストは ~(2.50ロージャース相当の12.50と対照的に
b.5G/テレコム: ロジャース RO4350の低Dk (3.48) は,28GHzで信号損失を最小限に抑え,5Gベースステーションにとって不可欠である.これなしでは,5G信号は10cmの痕跡で40%低下する.
c.航空宇宙:ポリアミド基板は -55°Cから200°Cの温度変動に耐性があり,放射線に耐性があり,衛星PCBに最適です.NASAのジェームズ・ウェブ宇宙望遠鏡は,冷凍装置のためにポリマイドベースのPCBを使用しています.
d.EV:EVインバーターのアルミコア (MCPCB) 基板は,FR4よりも3倍早く熱を散布し,IGBT接続温度を125°C以下 (熱圧縮の限界値) に保ちます.

2伝導性のある骨組み
銅ホイルは,PCBを介して電気信号と電力を運ぶ痕跡,平面,パッドを形成する導電材料である.その厚さ,種類,純度が電流容量に直接影響する.柔軟性費用も

主要な銅製ホイルの仕様
a.厚さ:オンス (oz) で測定される (1oz = 35μm厚さ).一般的なオプション:
1oz:消費電子機器の低電流信号 (≤10A) に最適です.
2オンス: 10~30A電流 (EV BMS,産業用モータードライブ) を扱う.
3oz5oz:高電力のアプリケーション (50A+),EVインバーターや溶接機器など
b.タイプ: 2つの主要な変形があり,それぞれが特定のニーズに適しています.

銅 フィルム に 関する 重要 な 考慮
a.電流容量: 1mm 幅, 2oz の銅痕跡は, 25°C (IPC-2221 標準) で ~ 30A を運ぶ.より高い電流では,より広い痕跡 (例えば, 2mm 幅, 2oz = 50A) またはより厚いホイル (1mm 幅の 3oz = 45A) を使用してください.
b.表面荒さ: ローリング銅は電解物 (Ra 1 〜 2 μm) よりも滑らかな表面 (Ra < 0.5μm) を有し,高周波 (28GHz+) の信号損失を軽減する.これは5G mmWave PCBに理想的になります.
c.柔軟性: ローリング銅は10,000回以上の折りたたみサイクルに耐える (電解液では1,000回以上),折りたたみ可能な電話やウェアラブルセンサーにとって重要です.

例:テスラのModel Y BMSは,電源飛行機のために2オンス電解銅ホイールを使用し,PCBを電池パックに収まるほど薄くしながら,コストと電流容量 (30A/トレース) をバランスします.

3. 溶接マスク:痕跡を保護し,ショートカット防止
a.溶接マスクは,下記に付く銅の痕跡 (パッドを除く) に塗り付ける液体または乾燥フィルムである.
b.銅を酸化や腐食から保護する.
c.隣接する線路間の偶然の溶接橋を防止する (高密度PCBでは一般的です).
d.水分,塵,化学物質から痕跡を隔離する.

一般的な溶接マスクの種類
液体写真可視化 (LPI) 溶接マスクは,現代のPCBの95%に使用され,液体として適用され,UV光にさらされ (写真マスクを通じて),パッドを覆わないように開発されています.精度が低いため,今日では稀です..

なぜ 溶接 面膜 の 色 が 重要 です か
a.グリーン:業界標準は,手頃な価格で,検査が簡単 (銅と対照的に),ほとんどのプロセスと互換性があります.
b.ブラック: エステティックな点から高級デバイス (例えばプレミアムスマートフォン) で人気があるが,検査が難しい (欠陥を確認するには紫外線が必要).
c.ホワイト:LEDPCBで使用される.LEDの明るさを15%向上させるために光を反射する.

重要な注意: 高温LPI (Tg ≥150°C) は,機体底環境 (125°C+) で動作する自動車PCBで必須である.標準LPI (Tg 130°C) は軟化または脱層する.ショート・サーキットにつながる.

4シルクスクリーンインク:ラベルと識別
シルクスクリーンインクは,PCBに塗装された最終層で,テキスト,ロゴ,部品参照 (例えば,R1,U2),極度マークを印刷する.組み立て (部品の配置を指示する) と保守 (修理のための部品を特定する) に不可欠です.

シルクスクリーンインクの種類
ほとんどのインクはエポキシ基 (熱や化学物質に耐性) やUV固化 (大量生産のための高速乾燥) です.

シルクスクリーンのベストプラクティス
a.フォントサイズ:最低0.8mmの高さのテキストを使用します.より小さいテキストは読み難し,組み立て中に汚れることがあります.
b.クリアランス:インクをパッドから0.1mm離れた場所に置く.パッドのインクは溶接を防止する (組立欠陥の主な原因).
c.耐久性:工業用PCBにはエポキシインクが好ましい.このインクは頻繁な清掃や取り扱いを受けることがあります.

例:産業用モーター駆動装置を修理する工場は,欠陥抵抗器 (R45) を識別するためにエポキシシードシルトスクリーンに頼ります. 明確なラベル付けがなければ,修理時間が倍になり,ダウンタイムで500ドル/時間かかります.

5. PCB 表面仕上げ: 溶接可能性と長寿性を保証する
表面塗装は,露出した銅パッドを:
a.酸化防止 (溶接性を損なう)
b.溶接関節の信頼性を向上させる.
c.PCBの保存期間 (6ヶ月から2年以上) を延長する.
これは最も重要な材料選択の1つである.劣悪な仕上げは,溶接失敗の25%を引き起こす (IPCデータ).以下は最も一般的なオプションの比較です.

決着 の 選択 が 交渉 でき ない 理由
a.医療機器:ENEPIGは必須です.これは"ブラックパッド" (関節障害を引き起こす脆いニッケル金化合物) を避け,オートクラブ消毒 (134°C,2バー圧力) に耐える.
b.航空宇宙:ENIGの18ヶ月間の保存期間により,PCBは長期保存期間中に販売可能であり続けます (例えば,打ち上げ前に2年間保管された衛星部品).
c. 消費者電子機器:HASLは,PCBが迅速に組み立てられ,2〜3年ごとに交換されるテレビやおもちゃに費用対効果的です.
d.EVs: ENEPIGはADASレーダーPCBで使用されます.その耐腐蝕性 (1,500hr塩噴霧) は道路塩や湿度による故障を防ぐことができます.

6材料選択の枠組み:適切な組み合わせをどのように選ぶか
PCB材料の選択は 圧倒的に感じるかもしれません この4段階のフレームワークを使って 材料をアプリケーションに合わせて:

ステップ1: 性能要件を定義する
a.電気:最大周波数 (例えば5Gでは28GHz) や電流 (例えばEVBMSでは30A) はどれか.高性能には低Dk基板 (ロジャーズ) と厚い銅 (2oz+) が必要です.
b.熱: 最大動作温度 (例えば自動車用では150°C) はどれか.高Tg基板 (FR4 Tg 170°C) と熱散用のMCPCBを選択します.
c.メカニカル:PCBは折りたたみ (着用品) または振動 (航空宇宙) に耐えるか?柔軟なポリアミド基板とローリング銅はここで重要です.

ステップ 2 費用 と 価値 を 考慮 する
a. 消費者電子機器: 価格ポイントを満たすために低コストの材料 (FR4, 1オンス電解銅,HASL) を優先 (例えば,200ドルのスマートフォンはロジャース基板を買えない).
高信頼性 (医療/航空宇宙):高品質の材料 (ENEPIG,ポリアミド,ロジャース) に投資します.

ステップ3:製造の互換性を確認する
材料が組み立てプロセスに 適合していることを確認します
柔軟なPCBには,ローリングされた銅とポリマイド溶接マスクが必要です. 折りたたみの際に電解銅が割れる.
大量生産 (100k+ PCB) は,紫外線耐固性シルクスクリーン (耐固性速い) とエポキシ (耐固性遅い) の利点があります.

ステップ4: 準拠を検証する
a.自動車用:材料はIATF 16949 (例えば高Tg溶接マスク,ENEPIG) に適合しなければならない.
b.医療用:ISO 13485は生物互換性のある材料 (例えば,ENEPIG,ポリミド) を要求する.
c.グローバル市場:RoHS準拠禁止鉛 鉛のないHASL (Sn-Cu) またはENIGを選択します.

7. 産業別での実世界の素材組み合わせ
材料の選択を具体化するために,一般的な用途のための実証された組み合わせは以下のとおりです.

消費電子機器 (スマートフォン メインPCB)
1基板:高Tg FR4 (Tg 170°C)
2銅製: 1オンス電解物 (信号層), 2オンス電解物 (パワープレーン)
3溶接マスク:標準LPI緑色 (Tg 130°C)
4シルクスクリーン:UV固化可能なエポキシ (0.8mmテキスト)
5表面塗装: ENIG (溶接能力とコストをバランスする)
6なぜ機能する? FR4はコストを低くし,2ozの銅が充電電流 (15A) を処理し,ENIGは信頼性の高いBGA溶接 (ピッチ0.4mm) を保証します.

自動車 (EV インバーター PCB)
1基板:アルミコア (MCPCB)
2銅製: 3オンス電解 (電流50Aに対応)
3溶接マスク:高Tg LPI (Tg 180°C)
4シルクスクリーン:エポキシ基 (油/化学物質に耐える)
5表面仕上げ:ENEPIG (腐食耐性,黒いパッドなし)
6なぜ機能する? MCPCBは IGBT熱を散らす 3ozの銅は高電流を運び,ENEPIGはホップの下の条件に耐える.

医療用 (ペースメーカーの制御PCB)
1基質:ポリアミド (柔軟で生物互換性)
2銅製: 1オンス ローリング (柔らかい,表面の粗さが低い)
3溶媒マスク:柔軟なLPI (ポリマイドベースの生物互換性)
4シルクスクリーン:エポキシ (体液に耐える)
5表面塗装:ENEPIG (無菌化耐性,長持ち期間)
6機能理由:ポリマイドは体動きで曲がり,ローリング銅は裂け目を避け,ENEPIGはISO13485規格を満たしています.

航空宇宙 (衛星通信PCB)
1基板:PTFE (60GHz信号では低Dk)
2銅製: 2オンス ローリング (放射線耐性)
3溶接マスク:高Tg LPI (Tg 180°C,放射線耐性)
4シルクスクリーン:エポキシ (真空と気温変動に耐える)
5表面塗装: ENIG (18ヶ月保存期間)
6.なぜ機能する:PTFEは,宇宙での信号損失を最小限に抑え,ローリング銅は放射線損傷に抵抗し,ENIGは,長期保存後に溶接性を保証します.

PCB 材料 に 関する よくある 質問
Q: 1つのPCBに異なる基板材料を混ぜることができますか?
A: はい,ハイブリッドPCBは特定のニーズを満たす材料を組み合わせます.例えば,5GルーターPCBは,mmWaveセクション (低Dk) のためにロジャーズと残りの部分 (コスト削減) のためにFR4を使用します.CTE (熱膨張係数) が同じであることを確認してください..

1オンスと2オンスの銅の差は?
A: 1ozの銅 (35μm) はほとんどの信号 (≤10A, ≤1GHz) に十分で, 2oz (70μm) はより高い電流 (1030A) または低抵抗 (産業用PCBの長い痕跡にとって重要な) に必要です.2オンス銅も熱をよりよく散らす20Aで15°C減少する.

Q: 溶接マスクの標準色はなぜ緑色なのか?
A: 緑色インクは,価格が安く,紫外線に安定し,銅と高コントラストを備えた色素 (ファタロシアニン緑色) を使用し,検査官は欠陥を簡単に発見できます (例えば,欠損した溶接マスク,傷跡他の色 (黒,白) は,美学的な色や機能的な色ですが,コストは高くなります.

Q: ENEPIG は,ENIG に比べて余分なコストを支払う価値があるのでしょうか?
A:高い信頼性のあるアプリケーション (医療,航空宇宙) では,yes ENEPIG はパラジウム層を追加し,黒いパッド (ENIG の主要な故障点) を排除し,ワイヤル結合強度を30%向上させます.電子機器用ENIGは通常十分です.

Q: 柔軟なPCBは FR4基板を使用できますか?
A: NO FR4 は硬くて,折りたたむと割れる.柔軟なPCBには,ポリアミドまたはポリエステル基板が必要で,ローリングされた銅ホイール (折りたたみに耐えるほど柔らかい) が加わります.

結論
PCB材料は互換性がない. それぞれの選択 (基板,銅,溶接マスク,仕上げ) は性能,信頼性,コストに直接影響する.FR4と1オンス銅は,消費者のアプリケーションの80%のために働きます5Gや電気自動車や医療機器は ロジャーズ,2オンス以上の銅と ENEPIGのような 特殊な材料を必要とします
成功の鍵は,材料をアプリケーションのユニークなニーズに合わせることです.
a.高周波設計では低Dk基質を優先する.
b.高電流路ではより厚い銅を選びます.
c.自動車/工業環境のために高温材料を使用する.
d.長寿命または安全性のあるPCBのためのプレミアム仕上げ (ENEPIG) に投資する.
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