PCB Blog - FR-4伝導率の紹介

FR 4はプリント基板（PCB）に広く応用されている材料である。エポキシ樹脂とガラス繊維からなる複合材料であり、優れた電気絶縁性、機械的強度、熱安定性で電子業界に広く応用されている。電子設計において、FR-4伝導率は重要なパラメータであり、回路の性能と安定性に直接影響を与える。

FR-4は、樹脂材料が燃焼状態を経て自発的に消灯しなければならない材料規格を意味する耐燃材料等級のコードネームであり、材料名ではなく材料等級であるため、一般的に回路基板に用いられるFR-4等級材料には非常に多くの種類があるが、多くはいわゆる四機能（Tera-Function）のエポキシ樹脂に充填剤（Filler）及びガラス繊維を加えた複合材料である。

主な特徴は次のとおりです。

FR 4材料はその卓越した電気絶縁性能で知られ、高周波と高電圧応用に特に優れている。この優れた絶縁性能は回路の安定性を確保し、信号干渉を低減し、各種電子機器の重要な部分に適している。

FR 4は高い機械的強度と靭性を有し、これにより日常使用中に遭遇する可能性のある物理的応力と衝撃に抵抗することができる。振動、衝撃、その他の形式の機械負荷にかかわらず、FR 4材料は信頼できる保護を提供し、回路基板の使用寿命を延長することができる。この堅牢な特性により、FR 4は消費電子、通信装置、工業制御システムなどの高耐久性を必要とする分野に広く応用されている。

FR 4は良好な熱安定性も備えている。高い動作温度で安定し、熱変形や老化が起こりにくい。このような熱安定性は、高温環境において回路基板の性能と構造の完全性を維持し、さまざまな厳しい動作条件に適応できることを確保している。

FR-4伝導率は通常CEM 1及びCEM 3より低いが、ポリイミド（PI）などの高周波材料より高い。この比較は、特定の用途に適した材料を選択するのに役立ちます。

FR 4の利点はその良好な機械的強度とコスト効果にあるが、高周波用途ではポリイミドがより適切である可能性がある。

導電率測定方法

FR-4伝導率を正確に測定するには、適切な実験技術を使用する必要があります：

実験技術：一般的な測定方法は四探針法、ホール効果測定とインピーダンス分析などを含む。4プローブ法は材料の電気伝導率を効果的に測定することができ、ホール効果測定は材料の電荷担体特性をさらに分析することができる。

標準と規範：IPC-2221などの関連標準と規範は、FR 4材料の電気伝導率測定に指導を提供した。これらの基準は測定結果の信頼性を確保し、異なる実験室間の結果を比較可能にする。

でんどうりつぶんせき

FR-4伝導率は主にその組成材料と製造プロセスに依存する。一般的に、FR 4は電気絶縁材料であり、その電気伝導率はゼロに近いべきである。しかし、実際の使用では、FR 4は通常、以下のいくつかの要因により、微弱な導電性を示す可能性があります。

材料の純度：FR 4中の不純物と添加剤は材料の電気伝導率を少し増加させる可能性がある。例えば、エポキシ樹脂に不純な成分が含まれている場合やガラス繊維中の不純物が多い場合、導電率に影響を与える可能性がある。

環境要因：FR 4の電気伝導率は湿度と温度の影響を受ける可能性がある。高湿度環境は材料の吸水を招き、それによって電気伝導率を高める可能性がある、高温になると材料の絶縁性に影響する可能性があります。

生産プロセス：生産過程における条件、例えば温度、圧力及び硬化時間は、FR 4の導電率にも影響する。これらのパラメータを厳格に制御することで、材料の絶縁性が予想されるレベルに達することを確保することができます。

FR-4伝導率に対する環境要因の影響

湿度と電気伝導率

FR 4材料のエポキシ樹脂は吸湿後に電気特性が変化するため、FR 4の導電率は高湿度環境下で顕著に増加する。FR 4に対する湿度の影響は主に2つの方面に現れている：

材料吸湿：FR 4はエポキシ樹脂とガラス繊維からなる複合材料である。エポキシ樹脂は絶縁性に優れているが、水分の吸収性により、湿度が高くなると材料の絶縁性が影響を受ける。環境湿度が高い場合、FR 4中のエポキシ樹脂は水分を吸収し、この吸湿現象は材料内部の電荷担体の数を増加させ、電気伝導率を向上させる。

電気伝導率の変化：吸湿後のFR 4は含水層を形成したり、材料内部に導電路を形成したりして、これらの要素は電気伝導率を上昇させます。特に高湿度条件下では、この効果はさらに顕著になるだろう。この問題に対応するために、設計者は一般的に、高湿度環境下での回路基板の性能の安定を確保するために、湿気防止コーティングを使用したり、より低吸湿性の材料を選択したりするなど、回路基板設計において湿気防止措置をとる。

温度変化

FR 4に対する高温の影響は主に電気伝導率と絶縁性能の変化に現れている：

熱安定性：FR 4材料の高温環境下での熱安定性はその重要な特性の一つである。しかし、高温条件下に長期間曝露すると、材料の物理的および化学的性質が変化することがある。高温はエポキシ樹脂の分解や軟化を招き、材料の絶縁性に影響を与える可能性がある。FR 4の熱安定性は一定の温度範囲で性能を維持することができるが、それを超えると、樹脂の熱分解や塑性流動によって材料の電気伝導率が上昇する可能性がある。

長期高温影響：長期高温条件下では、FR 4の絶縁性能が徐々に低下する可能性がある。これは、高温により材料内部の分子運動が激化し、電荷担体の移動性が増加し、電気伝導率が向上する可能性があるためである。デザイナーは高温環境における電子製品を設計する際に、この点を考慮して、適切な材料を選択するか、FR 4材料を改質して、高温での性能安定性を高める必要がある。

これらの影響を理解し、適切な保護措置を講じることは、さまざまな環境条件における電子製品の信頼性と安定性を確保するために重要である。

実際の応用において、FR 4の導電率は回路基板の性能にとって極めて重要である。FR 4は主に絶縁材料として設計されているが、その導電率の変化は回路基板の表現に顕著に影響する。電気伝導度の高いFR 4は、追加の導電経路を導入したり、電気信号の伝送方式を変更したりする可能性があり、特に高周波用途では、信号干渉やクロストークを引き起こす可能性があります。この干渉は信号の鮮明さを低下させ、回路の全体的な性能に影響を与える。

さらに、高い導電率は電気ノイズを増加させる可能性があり、ノイズの増加は回路の安定性に悪影響を与え、システムのノイズレベルを上昇させる。さまざまな動作条件における回路基板の安定性と信頼性を確保するために、設計者はFR 4材料を選択する際に、特にその導電性に注目し、選択した材料が回路基板の性能ニーズに合致することを確保し、信号干渉と電気ノイズを低減し、回路基板の全体的な性能を向上させなければならない。

結論

FR 4は電気絶縁性に優れた材料であり、その導電率はほとんどの場合ゼロに近づくべきである。材料の純度、環境要因、生産プロセスはすべてその導電性に影響を与える。

電子設計において、FR-4伝導率を理解し、制御することは回路性能と安定性を確保するために重要である。高品質のFR 4材料を選択し、生産プロセスを最適化することにより、電気伝導率を効果的に制御することができ、それにより電子製品の全体的な品質と信頼性を高めることができる。