電子産業で最も広く使用されているPCB積層板。 FR-4の誘電特性、ガラスクロス効果、および高速設計のための特殊材料へのアップグレード時期を理解します。
FR-4（難燃性4）は、世界中で製造されるすべてのPCBの90%以上の基盤を形成するエポキシガラス積層板です。臭素化エポキシ樹脂が含浸された織りガラス繊維布で構成されています。
"FR"の表示は、UL 94 V-0難燃性要件を満たしていることを示します。FR-4は、低コストで電気的、機械的、熱的特性の優れたバランスを提供し、ほとんどのアプリケーションのデフォルトの選択肢となっています。
しかし、FR-4の一貫性のない誘電特性と比較的高い損失正接は、特殊積層板がより良い性能を提供する高周波および高速デジタルアプリケーションには適していません。
織物は機械的強度を提供します。Dk ≈ 6.2
隙間を埋め、層を接合します。Dk ≈ 3.2。樹脂が多い = 全体のDkが低い。
通常は臭素化合物。Df（損失）を増加させます。
異なるガラスクロススタイルは樹脂含有量が異なり、これが誘電率に直接影響します。これを理解することは、正確なインピーダンス予測に不可欠です。
| ガラススタイル | 厚さ | 樹脂含有量 | 標準Dk | 一般的な用途 |
|---|---|---|---|---|
| 106 | 1.3 mil | ~75% | 3.6-3.8 | 極薄プリプレグ、充填 |
| 1080 | 2.8 mil | ~65% | 3.8-4.0 | 標準薄型プリプレグ |
| 2116 | 4.5 mil | ~52% | 4.0-4.2 | 最も一般的、良好な充填 |
| 1506 | 5.5 mil | ~50% | 4.1-4.3 | 中厚 |
| 7628 | 7.0 mil | ~42% | 4.3-4.5 | 厚型、硬質プリプレグ |
ガラス束と樹脂ポケットは±10%の局所的なDk変動を生み出します。差動ペアでは、これがペア内スキューを引き起こします。緩和策：織りに対して角度をつけて配線する、分散ガラス積層板を使用する、または高樹脂プリプレグを指定する。
FR-4には、さまざまな熱的および電気的特性を持つ異なる等級があります。組立プロセスと動作環境に基づいて選択してください。
| 等級 | Tg | Td | Dk | Df | コスト | アプリケーション |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 標準FR-4 | 130-140°C | 310°C | 4.3-4.5 | 0.020-0.025 | $ | 汎用、低速 |
| 中TgFR-4 | 150-160°C | 330°C | 4.2-4.4 | 0.018-0.022 | $ | 鉛フリー対応 |
| 高TgFR-4 | 170-180°C | 340°C | 4.1-4.3 | 0.016-0.020 | $$ | 自動車、産業 |
| FR-4 IT180A | 180°C | 350°C | 4.0-4.2 | 0.015-0.018 | $$ | 高信頼性 |
コンシューマーエレクトロニクス、IoTデバイス、シンプルなコントローラー
GPIO、SPI、I2C、UART、標準バス
材料コストが重要な量産
サブGHzワイヤレス、GPS L1、基本的なRF
USB 3.0、PCIe Gen3+には中損失材料（Df <0.01）を使用
周波数>10 GHzにはRogers、Taconicを使用
FR-4のDk変動は±10%を超える可能性があります
高いDfが過度の挿入損失を引き起こします
「4.5」のデフォルト値を使用しないでください。製造業者に周波数での実際のDkを尋ねてください。標準値：1 GHzで中樹脂プリプレグの場合4.0-4.2。
一貫したインピーダンスのために、ガラススタイル（例：「2 × 2116」または「1 × 1080 + 1 × 2116」）を指定してください。異なる組み合わせは異なるDkを持ちます。
鉛フリー組立（260°Cリフロー）には、Tg ≥ 170°Cを使用してください。標準Tgはz軸膨張とバレルクラックを引き起こす可能性があります。
3 Gbps以上の差動ペアの場合、ファイバーウィーブ効果によるペア内スキューを減らすために、分散ガラスまたはNEガラスを指定してください。
速度が重要でない内層には標準FR-4を使用し、必要な場合にのみ高速信号層をアップグレードします（ハイブリッドスタックアップ）。
生産前に常に製造業者のインピーダンスレポートを取得してください。彼らは特定の材料に対して正確なDk/Dfを持っています。
FR-4のDk値は、樹脂含有量、ガラススタイル、測定周波数によって3.8から4.8まで変化します。高樹脂プリプレグ(106、1080)は低いDk(約3.8-4.0)を持ち、ガラスリッチスタイル(7628)は高いDk(約4.3-4.5)を持ちます。ほとんどのCADツールは4.0-4.2を「典型的な」値として使用しますが、常に製造業者から特定の値を取得してください。
FR-4のDk値は周波数の増加とともにわずかに減少します（分散）。1 MHzでは4.5を測定する可能性がありますが、1 GHzでは通常4.0-4.2、10 GHzでは約3.9-4.0です。これは、より高い周波数で偏極メカニズムが追いつけなくなるために発生します。1 GHz以上の設計では、周波数に適したDk値を使用してください。
ガラスクロス効果は、ガラス繊維（Dk ≈ 6.2）とエポキシ樹脂（Dk ≈ 3.2）が異なる誘電率を持つために発生します。ガラス束に平行に走る配線は、それらを横切る配線とは異なるDk値を見るため、最大±5%のインピーダンス変動と差動信号におけるペア内スキューが発生します。緩和策：配線を傾ける、分散ガラスを使用する、または樹脂含有量を高める。
次の場合に高Tg（170°C+）FR-4を使用してください：鉛フリーはんだ付け（ピーク温度260°Cまで）、複数回のリフロー サイクル、高動作温度、またはリフロー中のZ軸膨張がメッキスルーホールを損傷する可能性がある場合。標準Tg（130°C）は鉛はんだと室温動作に適しています。
FR-4は約3 Gbpsまで良好に動作します。それを超えると、高いDf（0.020）が顕著な信号減衰を引き起こします。5-10 Gbpsの場合は、中損失材料（Df〜0.010）を検討してください。10-28 Gbpsの場合は、低損失積層板（Df <0.005）を使用してください。FR-4はまた、敏感な設計でインピーダンス変動を引き起こす一貫性のないDk値を持っています。