銅張積層板：PCBエンジニアのための材料選定完全ガイド

プリント基板において重要な電気的特性（信号完全性、熱安定性、誘電損失、インピーダンス制御など）はすべて、配線が行われる前に決定されます。これは、基板の基材として選択される銅張積層板（ CCL）によって決まります。CCLは複合材料であり、銅箔を熱と圧力で強化絶縁ベースに接着したもので、プリント基板の製造原料となります。この絶縁ベースの特性（誘電率、誘電正接、ガラス転移温度、熱膨張係数）によって、他のすべての工程がどれほど優れていても、完成した基板の性能の上限が決まります。

このガイドでは、銅張積層板の選定について、工学的な観点から解説します。主要なパラメータの意味、どのCCLタイプがどの用途に適しているか、材料グレード間の境界はどこにあるのか、そして設計に必要な基板性能を得るためにCCLを正しく指定する方法などを説明します。

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銅張積層板とは何か、そしてどのように作られるのか？

銅張積層板は、3つの機能的な構成要素が接着された複合シート材料です。これらの構成要素とは、補強層（一般的にはガラス繊維織物または紙）、樹脂マトリックス（エポキシ樹脂、ポリイミド、PTFE、またはその他のポリマー）、そして片面または両面に接着された銅箔です。これらの組み合わせによって、得られるプリント基板基板の電気的、熱的、機械的特性が決まります。

製造工程は含浸から始まります。補強布を樹脂浴に通した後、乾燥炉に通して、部分的に硬化したBステージ状態のプリプレグ（含浸済み材料）を生成します。複数のプリプレグシートを銅箔で外面に重ね合わせ、油圧プレスで通常170～200℃の温度と300～500PSIの圧力で圧縮します。熱によって樹脂が流動して完全に硬化（Cステージ）し、すべての層が結合して剛性の積層シートになります。プレス後、シートはトリミングされ、厚みの均一性が検査され、電気特性がテストされ、標準パネルサイズ（通常1,020×1,220mmまたは1,020×915mm）に切断されます。

銅箔は、電気めっき（ED箔）または圧延（RA箔）によって別々に製造されます。回転するチタン製ドラムに銅を電気めっきして製造されるED銅箔は、リジッドプリント基板用途の標準です。RA（圧延焼鈍）銅箔は、表面がより滑らかで延性が高いため、繰り返し曲げられるフレキシブルプリント基板に適しています。

銅張積層板の断面図：銅箔をガラスエポキシ基板に接着したもの。これはすべてのプリント基板製造の基礎となる材料である。Highleap Electronics、2026年。

CCLのパフォーマンスを決定する4つのパラメータ

誘電率（Dk）

誘電率とは、電磁波の伝搬速度が自由空間に比べてどれだけ遅くなるかを示す値です。プリント基板（PCB）においては、誘電率Dkが信号伝搬速度とインピーダンス制御配線の形状を直接決定します。伝搬速度は1/√Dkに比例します。つまり、誘電率Dkが4.0の材料は光速の半分の速度で信号を伝搬し、誘電率Dkが2.2の材料は光速の67%の速度で信号を伝搬します。これは、並列配線間で信号遅延を一致させる必要があるタイミング重視の設計において重要となります。

Dkは、インピーダンス制御配線の幅にも影響します。標準的なFR-4基板（Dk ≈ 4.2）上の50Ωマイクロストリップの場合、1オンスの銅箔を使用した1.6mm厚の基板では、配線幅は約2.8mmになります。一方、特殊な低損失ラミネート（Dk = 3.38）では、同じインピーダンスでもより狭い配線幅が必要になります。これは、Dk値が低いほど配線形状が変化するためです。インピーダンス制御配線を設計するエンジニアは、ラミネートのグレードだけでなく、実際のDk値を把握しておく必要があります。Dk値は周波数や温度によって変化するためです。

誘電正接（Df）

散逸係数は、信号エネルギーが誘電体を通過する際に熱として失われる割合を示します。低周波数では、Df は信号損失にほとんど影響しません。約 1 GHz を超えると、Df に関連する挿入損失が重要な設計上の制約となります。10 GHz では、Df ≈ 0.020 の標準的な FR-4 基板は、約 3～5 dB/10cm の誘電損失を示し、中程度の配線長で信号経路を劣化させるのに十分です。Df = 0.0037 の特殊な低損失ラミネートを使用すると、この損失は約 5 分の 1 に低減されるため、高周波 PCB 設計では特殊なラミネートが必要になります。

実際的な結果として、設計において通信、クロック、またはRF信号が約1～2GHzを超える周波数で動作する場合、Dfが主要な材料選定基準となります。

ガラス転移温度（Tg）

Tgとは、ポリマー樹脂が硬質なガラス状態から軟質なゴム状態に変化する温度のことです。Tgを超えると、CCLは寸法安定性を失い、CTEが急激に増加し、継続的な動作によって熱サイクル中に剥離やビアバレルの亀裂が発生します。そのため、基板の動作温度はTgよりも十分に低く保つ必要があり、通常は少なくとも20～30℃の余裕を持たせる必要があります。

標準FR-4（ガラス転移温度Tg 130～140℃）は、周囲温度が85℃以下の民生用電子機器には十分です。モーターキャビネット、屋外筐体、自動車のボンネット下などの産業機器では、基板の劣化なく連続的な高温に耐えるために、高Tg FR-4（Tg 150～170℃）またはポリイミド（Tg > 250℃）が必要です。

熱膨張係数（CTE）

CTEは、単位温度上昇あたりの材料の膨張率を表します。FR-4のZ軸方向のCTE（基板厚み方向）は通常50～70 ppm/℃で、銅のCTEである17 ppm/℃よりもかなり高くなっています。熱サイクル中、このCTEの不一致によりスルーホールビアバレルに機械的応力が発生し、最終的に銅めっきに疲労亀裂が生じます。層数の多い基板（銅が多く、熱応力が大きい）や、厳しい熱サイクルを受ける用途（自動車、屋外産業など）の基板には、Z軸方向のCTEが低いラミネート材、またはCTEの不一致に対応できるビア設計が必要です。低CTE特殊ラミネート材を使用すれば、Z軸方向のCTEを40 ppm/℃以下に低減できます。

主要な5つのCCLタイプ：特性、コスト、および用途

標準FR-4

FR-4（難燃性グレード4）は、PCBラミネートの標準的な素材であり、臭素化エポキシ樹脂で強化されたガラス繊維織物です。電気特性、機械的強度、加工性、コストのバランスが他のどの代替品よりも優れているため、世界のCCL消費量の大部分を占めています。FR-4の欠点は、周波数による誘電率（Dk）と誘電損失（Df）の変動（グレードによっては、Dkが1MHzで約4.2から高周波数では約4.5に上昇する）と、高温動作を長時間続けるにはガラス転移温度（Tg）が不十分なことです。1GHz以下の周波数、かつ動作温度が85℃以下の設計であれば、標準FR-4が最も適切で費用対効果の高い選択肢となります。

高TgFR-4

高Tg FR-4は、改質エポキシ樹脂（一般的には多官能性エポキシ樹脂またはエポキシシアネートエステルブレンド）を用いてTgを150℃または170℃に高めています。電気特性は標準FR-4とほぼ同じで、熱安定性が向上している点が特長です。高Tg FR-4は、PLC基板、パワーエレクトロニクス、冷却が限られた筐体内に設置され、動作中に基板表面温度が80℃を超える可能性のあるあらゆる基板など、産業用PCB製造用途における標準材料です。

ハロゲンフリーラミネート

従来のFR-4は、臭素含有化合物によって難燃性を実現しています。ハロゲンフリーグレードでは、これらの化合物をリン系または窒素系の難燃剤に置き換えることで、EU RoHS指令、REACH規則、およびIEC 61249-2-21規格に適合させています。樹脂の化学組成が異なるため、一部のグレードでは電気特性が標準FR-4と同等か、わずかに優れています。価格が高いのは、樹脂の配合がより複雑であることと、供給業者の選択肢が限られていることを反映しています。

特殊低損失ラミネートおよびPTFEベースの高周波ラミネート

Df が制約となるアプリケーション (RF パワーアンプ、フェーズドアレイアンテナ、5G ミリ波インフラストラクチャ、レーダーフロントエンド) では、PTFE ベースのラミネートが標準的なエンジニアリングソリューションです。特殊低損失ラミネート (Dk = 3.48、Df = 0.0037) と低 Dk PTFE ラミネート (Dk = 3.00、Df = 0.0013) が最も広く指定されています。PTFE ベースの基板の製造プロセスは FR-4 とは大きく異なります。PTFE では、めっき前に特別な表面活性化が必要であり、ドリルパラメータやプレスサイクルプロファイルも異なります。当社の高周波 PCB 製造プロセスは、特殊低損失ラミネート、Taconic、PTFE セラミックハイブリッドラミネートに特化して認定されています。

ポリイミドラミネート

ポリイミドは、すべての硬質プリント基板積層材の中で最も高い連続動作温度を実現し、250℃以下では機械的特性の著しい劣化が見られません。航空宇宙用電子機器、軍事機器、油田・ガス田の坑内計測機器の標準材料となっています。また、ポリイミドはフレキシブル基板（FPC）の基板としても用いられ、FR-4では実現できない高温安定性と機械的柔軟性を兼ね備えています。しかし、コストが高く加工が難しいため、ポリイミドは真にその熱特性が求められる用途に限定されます。

CCL選定ガイド：用途に合った材料の選定

FR-4、特殊低損失ラミネート、高Tg：アップグレードのタイミング

標準FR-4からのアップグレードの決定は、具体的な測定可能な設計上の制約に基づくものであり、「より優れた」材料を求める一般的な欲求によるものではありません。特定の性能要件がないまま材料をアップグレードしても、メリットはなくコストが増えるだけです。

標準FR-4から高Tg FR-4へのアップグレードは、以下の場合に推奨されます。基板が、負荷時のPCB表面温度が80℃を超える環境で動作する場合。設計において、8層を超える層を使用し、層数全体にわたる熱応力の蓄積により、より高いTgが必要となる場合。または、熱的に厳しい環境で10年以上の耐用年数を持つアプリケーションの場合。

重要なパス上の信号周波数が 1〜5 GHz の範囲で動作し、挿入損失予算計算で FR-4 Df がマージン不足を引き起こすことが示された場合、FR-4 から中損失または低損失の FR-4 派生品 (PTFE 以外) にアップグレードしてください。これは、PCIe Gen 5 を実行する AI サーバーのバックプレーン、25G または 100G Ethernet を実行する高速ネットワーク機器、および PTFE が保証されないが標準の FR-4 では不十分な同様の高密度相互接続設計に適用されます。

FR-4からPTFEベースの特殊RFラミネートファミリーへのアップグレードは、信号経路が約5GHzを超える場合、またはリンクバジェット解析でDfが0.005未満であることが明示的に要求される場合に行ってください。設計上「メリットがあるかもしれない」という理由だけで特殊低損失ラミネートにアップグレードしないでください。PTFEラミネートの加工の複雑さとコストへの影響を考慮すると、技術的な正当性が必要です。

高周波設計では、異種材料を組み合わせた構造が一般的です。特定の高周波信号層には低損失の特殊ラミネート材を、残りの層にはFR-4を使用します。このハイブリッド方式により、コストを削減しながら、信号損失が実際に発生する箇所にのみ高性能材料を配置できます。Highleap Electronicsのインピーダンス制御型PCB製造技術は、異種ラミネート材を組み合わせたハイブリッド積層構造に対応しています。

2026年のCCL調達：入手可能性、価格、リードタイム

2026年の銅張積層板（CCL）の調達環境は、過去の平均と比べて著しく逼迫している。銅価格は2026年1月に過去最高の1トン当たり13,300ドルを記録し、一部のグレードではCCL価格が前期比で45%上昇している。さらに深刻なのは、一部のハイエンドCCLグレード、特にAIサーバー基板向けの超低損失積層板であるM7～M10グレードでは、価格圧力から供給不足へと状況が一変し、リードタイムが6ヶ月に延び、一部のサプライヤーでは割当制が導入されていることだ。

標準FR-4および高Tg FR-4については、状況はそれほど深刻ではありませんが、2024年当時と比べて依然としてかなり厳しい状況です。標準グレードのラミネートのリードタイムは、2～4週間から4～8週間に延びています。特殊ラミネート（特殊低損失ラミネート、PTFE、ポリイミドなど）を必要とする設計の場合、生産スケジュールを確定する前に、PCBメーカーと材料の入手可能性について早期に協議することが不可欠です。

現在の環境でプリント基板を調達する際は、以下の点に注意してください。材料はブランドではなく、グレードと性能パラメータで指定してください。これにより、主要ブランドの供給に制約が生じた場合でも、メーカーは同等の材料を選定できます。標準的なFR-4の場合は6～10週間、特殊ラミネートの場合は12～16週間の材料リードタイムを考慮して生産スケジュールを立ててください。重要な生産ロットについては、生産スケジュールに先立って材料の供給を確保するために、プリント基板メーカーと材料の先行購入について話し合ってください。

よくある質問

銅張積層板は何に使用されますか？

銅張積層板（CCL）は、すべてのリジッドプリント基板の製造に使用される基材です。CCLは、イメージング、エッチング、穴あけ、めっき、表面仕上げなどの加工を経て、完成したプリント基板となります。プリント基板のあらゆる電気的特性（信号完全性、熱安定性、インピーダンス制御など）は、基本的に選択されたCCL材料によって決まります。用途によって必要なCCLの種類は異なり、民生用電子機器には標準的なFR-4、産業機器や車載機器には高Tg FR-4、RFおよびマイクロ波用途にはPTFEベースの積層板が使用されます。

FR-4と特殊低損失ラミネートの違いは何ですか？

FR-4は、Dk ≈ 4.2～4.5、Df ≈ 0.018～0.025のガラスエポキシ積層板です。特殊低損失積層板（炭化水素セラミック低損失積層板など）は、PTFEまたはセラミック充填炭化水素系を使用して、Dkを2.2～3.5、Dfを0.001～0.005まで低く抑えています。Dkが低いほど、特殊低損失積層板は高周波での信号伝搬速度が向上し、挿入損失が低減されます。特殊低損失積層板は、FR-4のDfが許容できない信号損失を引き起こす約5GHzを超える設計に必要です。コスト差は、特定の特殊低損失積層板製品によって5～20倍になります。

工業用プリント基板には、どのTgを指定すればよいでしょうか？

電気キャビネット内、モーター駆動部付近、または動作中に基板表面温度が70～100℃に達する可能性のある環境に設置される産業用プリント基板には、Tgが150℃以上、できれば170℃以上の高Tg FR-4を指定してください。標準FR-4（Tg 130～140℃）では、これらの環境に対する熱的余裕が不十分です。標準FR-4に比べてコストは通常​​20～50%高くなりますが、熱的に厳しい設置環境における信頼性の向上によって正当化されます。

FR-4の誘電率はいくらですか？

標準FR-4の誘電率は、1GHzにおいて約4.2～4.5です。この値は周波数（低周波数では高く、高周波数ではわずかに低下します）、温度、およびメーカー固有の配合によって変化します。インピーダンス制御計算には、汎用FR-4の誘電率ではなく、動作周波数における積層板メーカーのデータシートに記載されている固有の誘電率を使用してください。高速デジタル設計に関連する周波数におけるインピーダンス制御計算の一般的な範囲は4.2～4.4です。

FR-4はRF基板に使用できますか？

FR-4は、1～2GHz以下のRF設計には使用できますが、いくつかの制限があります。2GHzを超えると、標準FR-4の誘電率（0.018～0.025）により、ほとんどのRFシステムのリンクバジェットを超える挿入損失が発生します。また、FR-4の誘電率は、特殊なRFラミネートよりも温度と周波数による変化が大きいため、高周波での正確なインピーダンス制御が困難です。2GHzを超えるRF設計には、中損失FR-4派生品またはPTFEベースのラミネートが必要です。5GHzを超える設計では、PTFEベースのラミネートが標準仕様となります。