FR-4、低損失、RF基板用10層基板材料

10層基板の材料選定は、インターフェース名をラミネートブランドに変換するルックアップテーブルではありません。DDR5、PCI Express、または高速SerDesを搭載した基板は、チャネル長、銅プロファイル、配線形状、コネクタ損失、ビア遷移、温度曝露、および受信側のイコライゼーション能力に応じて、複数の樹脂システムで製造可能です。逆に、リターンパス、ビアフィールド、または基準面遷移が不良の場合、高価なラミネートでも短い配線経路が故障する可能性があります。

このガイドでは、材料選択をマーケティング上の優先順位ではなく、エンジニアリング上の決定事項として扱います。公開されている特性値の意味、データシートの数値を比較できる箇所、銅とガラスが完成したチャネルに及ぼす影響、そして2種類の材料を1つの積層構造に組み合わせる際に管理すべき事項について説明します。プロジェクト固有の選択事項は、レイアウトを確定する前に、10層積層構造と高速チャネル計画と併せて検討する必要があります。

まずは電気的要件と信頼性要件から始めましょう。

適切な材料選定は、完成した基板が耐えなければならない条件と、配線されたチャネルが満たすべき電気的性能から始まります。最低限必要な入力項目は、信号スペクトルまたはコンプライアンスマスク、最大配線長、許容挿入損失、想定されるビア遷移の数と種類、基準面配置、アセンブリプロファイル、製品温度範囲、および要求される信頼性クラスです。材料は、総損失と信頼性予算の一部として選定されます。

「高Tg」「低損失」「RF材料」は分類であり、完全な仕様ではありません。最終的なインピーダンス形状やチャネルシミュレーションがリリース可能とみなされる前に、選択されたグレード、樹脂含有量、ガラスの種類、コアの厚さ、プリプレグ構造、銅箔をすべて特定する必要があります。

試験方法を混同せずにラミネート材のデータシートを読む方法

公表されている値は、しばしば異なる方法で測定されています。クランプされたストリップライン値、共振器値、インピーダンスから導出された設計値は、同じ周波数で報告されていても互換性がありません。また、データは、スタックアップで使用されている正確なガラスと樹脂の構造ではなく、公称樹脂システムについて記述している場合もあります。そのため、単一のDk値をフィールドソルバーにコピーすると、もっともらしいものの不正確なトレース幅が生成される可能性があります。

インピーダンスに関しては、製造業者は通常、プロセス校正済みの「設計Dk」または特定の材料構造に関連付けられた経験的モデルを使用します。挿入損失シミュレーションの場合、モデルはさらに銅の粗さを特定し、高周波では実際のガラスの種類または同等の異方性表現を特定する必要があります。設計に使用されるモデルと購買部門から納入される材料は、同じ構造を参照している必要があります。

10層基板に使用される材料ファミリー

従来型および高温FR-4システム

FR-4は、織りガラス繊維強化熱硬化性積層板の幅広いファミリーを網羅しています。多くの産業用、制御用、電源用、および中速デジタル基板に適していますが、正確なグレードは依然として重要です。複数のリフローサイクル、高アスペクト比のめっき穴、またはシーケンシャルラミネーションを備えた10層基板は、単純な2層製品よりも、Z軸方向の膨張が少なく、剥離時間が長く、CAF性能が優れている必要がある場合があります。「RoHS準拠」とは、すべてのFR-4グレードがすべての鉛フリー実装プロファイルに適していることを自動的に意味するものではありません。

高Tg FR-4は、Tgが信号速度を直接決定するからではなく、熱的および寸法的な余裕を考慮して選択されることが多い。短く、適切に配線された高速チャネルは、優れたFR-4システムで問題なく動作する可能性がある。一方、チャネルが長くなると、誘電損失と導体損失の低減が求められる場合がある。決定は、プロトコルと材料の関連性といったスローガンではなく、損失解析と信頼性の要件に基づいて行うべきである。

低損失デジタルラミネート

パナソニックのMEGTRON、Isola I-Teraなどの高速システムでは、誘電損失が低減され、一般的に平滑な銅オプションが提供されています。しかし、これらは自動的に互換性があるわけではありません。各ファミリーには複数のグレードがあり、正確なDk/Df値は製品バリエーション、試験方法、樹脂含有量、ガラス構造によって異なります。例えば、現在のI-Tera MT40の資料では、Dk 3.45、Df 0.0031という値が示されていますが、構造表を見ると、個々のコアやプリプレグによって値が異なることがわかります。このような構造レベルでのばらつきこそ、承認された積層構成においてファミリー名以上の情報が必要となる理由です。

MEGTRON 6、MEGTRON 7、MEGTRON 8は、それぞれ異なる製品ファミリーと性能レベルを表しています。設計者は、必要な電気的特性とプロセス特性、または正確なグレードを指定する必要があります。「M6または同等品」とだけ書いて、無秩序な交換を許容してはいけません。最高データレートでは、銅オプションとビア構造が、公称低損失誘電体2種類の差を決定づける可能性があります。

超低損失かつ超高速システム

Isola Tachyon 100Gは、超低損失システムの好例です。現在の製品仕様書には、Dk 3.02、Df 0.0021という主要値が記載されていますが、詳細な構造表を見ると、ガラスと樹脂の含有量によってばらつきがあることがわかります。これらの材料は、チャネル解析の結果が妥当であると判断された場合に選択されるものであり、すべての112GまたはPCIe設計における必須のデフォルト材料として説明されるべきではありません。

炭化水素／セラミックおよびPTFEベースのRFラミネート

特殊低損失ラミネートと特殊低損失ラミネートは、織りガラス強化炭化水素/セラミック熱硬化性ラミネートであり、PTFEラミネートではありません。特殊低損失ラミネートは、10 GHzで約 Dk 3.38、Df 0.0027 であることが公表されています。特殊低損失ラミネートは、異なる電気的特性と難燃性を備えた、関連するプロセス互換オプションを提供します。特殊低損失ラミネートは、選択された PTFE ベースの低損失ラミネートや特殊低損失ラミネート製品など、真の PTFE ベースのファミリーも提供します。適切なファミリーは、周波数、損失、Dk 許容値、熱膨張、スルーホールめっき要件、難燃性、および製造プロセスによって異なります。

FR-4多層膜にRFコアを組み込むことは効果的ですが、接合材料、銅処理、穴あけ加工、表面仕上げは、構造全体に合わせて選択する必要があります。ブランド名だけでは、製造可能なハイブリッド回路を定義することはできません。

フレキシブルおよびリジッドフレキシブル用ポリイミドシステム

フレキシブル回路には、ポリイミドフィルム、接着剤システム、または接着剤不要の銅張積層板、カバーレイ、および特定の銅箔が使用されます。デュポン社のPyralux APは接着剤不要のフレキシブル積層板ファミリーであり、Pyralux TKは低損失のフレキシブル用途向けです。適切な選択は、曲げ荷重、層数、インピーダンス、温度、およびリジッドフレキシブル積層プロセスによって異なります。静的設置時の曲げと連続的な動的屈曲は異なる設計上の問題であり、一般的な曲げ半径の仕様を共有すべきではありません。

銅箔、ガラス繊維、樹脂含有量

銅の粗さは損失モデルに含まれる

高周波では、電流は導体表面に集中します。粗い接合面は実効電流経路を長くし、導体損失を増加させます。そのため、標準的な電着箔、逆処理箔、超薄型箔、極超薄型箔では、同じ誘電体でも挿入損失が異なる場合があります。トレードオフは単純に「表面が滑らかであればあるほど良い」というものではなく、接着性、酸化膜処理、樹脂の化学組成、取り扱い、コストは製造プロセスとの適合性を維持する必要があります。

製作図面には、承認済みの箔クラス、またはシミュレーションで使用した最大粗さモデルのいずれかを明記する必要があります。VLPやHVLPといったマーケティングラベルはサプライヤー間で完全に標準化されているわけではないため、プロジェクトによってはサプライヤー固有の箔指定や測定可能な粗さ要件が必要になる場合があります。

ガラス織りは局所的なDkと歪みを変化させます

織りガラスと樹脂は誘電特性が異なります。細い配線、あるいは差動ペアの一方の配線が主にガラス束上を流れる一方で、隣接する配線が樹脂を多く含む領域を流れる場合、局所的な遅延ミスマッチが生じます。これを軽減するための対策としては、ガラスを敷き詰める構造、織り目に対して斜めに配線する、配線幅を広くする、適切な場合はペアの間隔を広げる、アートワークの向きをランダム化するなどが挙げられます。最適な選択は、実際のガラスの種類とスキューバジェットによって異なります。

樹脂含有量もプレス時の厚みと有効誘電率（Dk）に影響を与えます。プリプレグは厚さが一定のプラスチックシートではなく、最終的な厚みはガラスの種類、樹脂含有量、銅密度、プレスサイクル、局所的な樹脂の流れによって決まります。したがって、積層計算には、カタログに記載されている公称厚みだけでなく、製造業者のプレスアウトモデルを使用する必要があります。

ハイブリッド材料の積層構造と置換制御

ハイブリッド積層構造では、低損失材料またはRF材料は、選択されたストリップラインチャネル周辺やRF表面層など、測定可能な価値を生み出す場所にのみ配置されます。これにより材料消費量を削減できますが、エンジニアリング作業が増加します。製造業者は、複合システムにおけるボンドプライまたはプリプレグ、硬化サイクル、樹脂の流れ、内層処理、寸法補正、穴あけ、デスミア、およびめっき穴の信頼性を検証する必要があります。

材料の代替は、次の3つの方法のいずれかで処理する必要があります。書面による承認なしに代替を行わない、指定された承認リストからのみ代替を行う、または、供給業者が改訂された積層構成、インピーダンス計算、および必要な認定証拠を提出した後、管理された代替を行う。「同等の性能クラス」というだけでは十分な承認とはみなされません。

熱信頼性、HDI、およびアセンブリの暴露

10層構造の信頼性は、総熱履歴によって左右されます。従来の多層構造では、一次積層サイクルは1回程度ですが、HDI構造では、連続的な積層サイクルが加わり、銅充填、平坦化、追加の硬化工程が含まれる場合があります。さらに、表面仕上げ、部品組立、リワークによって、熱負荷への曝露が増加します。材料システムは、リフローのピークだけでなく、全工程に耐えられる必要があります。

関連する証拠としては、T260/T288挙動、Z軸CTE、水分調整、リフローシミュレーション、熱応力マイクロセクション、相互接続テストなどが挙げられます。適用可能なテストとサンプル頻度は、製品仕様とリスクに基づいて決定する必要があります。特定のTd値によって、特定の積層数に対して材料が「必須」になるという主張は不正確です。ビア形状、樹脂システム、銅めっき、水分、プレスサイクル、クーポン設計など、すべてが影響します。

HDIの場合、マイクロビア下の誘電体層の厚さは、レーザー径およびキャプチャランドとともに選択されます。繰り返し積層されたマイクロビアには、充填と界面の信頼性が実証されたプロセスが必要です。材料ページではその決定を裏付ける情報を提供する必要がありますが、実際の積層および受入計画は10層HDIエンジニアリング仕様書に記載する必要があります。

製作図面と発注書に何を記載すべきか

「高Tg FR-4」または「MEGTRON相当品」とだけ記載された発注書では、多くの点が曖昧です。生産準備が整った材料に関する注記には、承認されたグレードまたは性能仕様、代替規則、銅箔の要件、可燃性または規制上の要件、材料のトレーサビリティレベル、および設計で使用される構造固有の電気データなどを明記する必要があります。

これらのメモをインピーダンス表およびスタックアップ図とともに提出してください。制御インピーダンスガイドには、製造業者が最終的な形状を計算および検証するために必要な事項が記載されています。

誤解を招くようなパーセンテージ加算なしの材料費

材料費は、シート価格、最小購入数量、使用可能なパネルサイズ、保存期間、必要な銅オプション、プリプレグの入手可能性、および完全な積層構造の歩留まりによって左右されます。ハイブリッド構造は高価な誘電体面積を削減できますが、調達、積層、および認証の複雑さが増す可能性があります。逆に、完全な低損失構造は、原材料費は高くなりますが、購入と積層を簡素化できる場合があります。

予算編成にあたっては、サプライヤーに対し、材料システムの影響をHDIサイクル、仕上げ、テスト、およびドキュメント作成の費用から切り離して見積り出すよう依頼してください。ウェブページに記載されている固定パーセンテージを見積りとして扱わないでください。10層基板のコストガイドには、普遍的な価格乗数を考案することなく代替案を比較できるコストドライバーモデルが提供されています。

材料および積層構造のレビューを依頼する

入手可能性、規制状況、長期供給

基板を長期間生産する場合、材料の入手可能性は設計上の制約となります。あるグレードは技術的には適していても、特定の厚さ、銅箔、またはパネルサイズでしか入手できない場合があります。最小購入数量、使用期限管理、地域ごとの在庫状況などが、試作リードタイムを左右する可能性があります。ニッチな構造を確定する前に、必要なコアとプリプレグの組み合わせがメーカーの現在の製品ラインナップに含まれていること、および製造業者がそれらの組み合わせに対応した承認済みの製造プロセスを有していることを確認してください。

可燃性、ハロゲンフリー表示、RoHS/REACH指令への準拠、UL認証はそれぞれ別の問題です。ラミネート材はRoHS指令に適合していても、最終製品に必要な難燃性等級を満たしていない場合があります。また、特定の構造によっては、認証の対象となる厚さ範囲外となる場合もあります。購入仕様書には、必要な規制上の証拠と、それが適用される製造拠点を明記する必要があります。社名や他社の認証資格から認証を推測しないでください。

長期にわたるプログラムにおいては、技術的に審査済みの代替品を少なくとも1つ含む、管理された承認済み資材リストを維持してください。代替品は供給途絶前に評価されるべきであり、供給不足時に、インピーダンス、ラミネーション、信頼性に関する審査なしに導入されるべきではありません。最終購入、変更通知、再認定に関する責任は、供給業者契約に含める必要があります。

材料選定承認

購入に関する用語、積層構造、および電気モデルが同じグレードと構造を参照している場合、材料に関する決定は下される準備が整ったと言えます。インピーダンス、挿入損失、または繰り返し熱にさらされる状況が重要な場合、「高Tg」、「低損失」、「同等品」といった一般的な説明では不十分です。

• 承認されたグレードまたは承認された教材リストと、書面による代替手続きを明記してください。
• モデルに使用されているコア材とプリプレグの構造、樹脂含有量、ガラスの種類、銅のプロファイルを特定します。
• Dk/Df試験方法、頻度、および値がラミネートのデータシート値か設計モデル値かを記録してください。
• 連続積層、充填、仕上げ、組立リフロー、および想定される再加工に至るまでの熱履歴を確認してください。
• 在庫状況、最低購入数量、リードタイムリスク、規制状況、および長期的な供給ニーズを確認してください。
• 承認された代替措置によって構造が変更される場合は、必ずスタックアップとインピーダンスの計算を改訂する必要がある。

最適な材料とは、電気的、機械的、熱的、および供給に関するすべての要件を満たす、最も低コストで適切なシステムです。高級樹脂システムであっても、リターンパスの不良、スタブを介した共振、または制御されていない置換を補うことはできません。

再生産のための材料認定書類

電気損失、繰り返し熱にさらされる状況、または長い耐用年数に依存するプログラムでは、供給業者の商標名だけでなく、材料に関する詳細な資料を保管しておくべきです。資料があれば、再発注、代替供給元の検討、および故障解析の信頼性が向上します。

• 製造元、正確なグレード、改訂版、および規制上のステータス。
• 承認されたコア／プリプレグ構造と利用可能なガラスの種類。
• 各制御信号層に使用されている銅箔の種類と処理方法。
• Dk/Dfデータのソース、テスト方法、頻度、および設計モデルの仮定。
• 積層および組み立て時の熱曝露を含む、実際のプロセスシーケンスに関連する熱データ。
• めっき穴、マイクロビア、ハイブリッド接合部に関するプロセス認定または初回製品証拠。
• 保管方法、賞味期限、焼き方、湿気対策に関する指示（該当する場合）。
• 承認された代替案、および電気的または信頼性の再認定をトリガーする条件。

材料の経年劣化と入手可能性も重要です。積層材は、芯材の厚さ、ガラスの種類、または銅のオプションが廃止されると、技術的には適していても商業的に実用的でなくなる可能性があります。そのため、最後に承認された構造が入手できなくなる前に、定期的なライフサイクルレビューを実施する必要があります。材料ファミリーの新しい改訂版が導入された場合は、商標名が互換性を保証すると決めつけるのではなく、加工データと構造データを比較してください。

ハイブリッド構造の場合、ボンディング層、酸化膜または代替処理、積層に関する前提条件と信号層材料に関する前提条件を維持してください。信号を伝送する誘電体が最も注目されるかもしれませんが、材料システム間の界面は、寸法特性と長期信頼性を左右することがよくあります。