FR4誘電率計算ツールとPCB設計ガイド

FR4の誘電率はどれくらいですか？

FR4の誘電率（Dk、または比誘電率εr）は、プリント基板の絶縁ラミネートが電界にどのように反応するかを示す指標です。予備設計では、エンジニアはしばしばDk ≈ 4.0～4.5を使用しますが、これはすべてのFR4で保証された値ではありません。FR4とは、樹脂系、繊維構造、および電気的特性が異なるガラス繊維強化エポキシ材料のファミリーを指します。

FR4の誘電率（Dk）は、指定された積層板、ガラスの種類、樹脂含有量、動作周波数、および試験方法によって異なります。「FR4＝4.4」という単一の仮定は、特にインピーダンス制御や高速レイアウトにおいては危険です。

FR4の誘電率と周波数の関係：メーカーの実データ

FR4は誘電分散性を示し、その誘電率（Dk）は周波数によって変化します。以下のIsola 370HRの例は、特定の構造に特化した公表値であり、すべてのFR4基板に共通する値ではありません。

出典：Isola 370HR公式構造別Dk/Df表。値は記載されている構造および試験条件に基づいています。

この表から、2つの重要な事実が明らかになります。1つは、同じFR4材料ファミリーでも構造が異なるため、Dk値が異なる場合があること、もう1つは、1GHzで測定されたDk値を10GHzにそのまま適用すべきではないことです。計算ツールでは、周波数は導波波長と位相の計算に使用されますが、Dk値と周波数の関係を示す曲線を作成するものではありません。

計算機の仕組み：実際の計算式

この計算機は、信号経路を理想的な、損失のない、非磁性の伝送線路として扱います。まず実効比誘電率を求め、次に伝搬速度と遅延を計算します。

ここで、c = 299.792458 mm/nsである。実効比誘電率 (εeff) は伝送線の断面積に依存する。

ストリップライン：完全埋め込みトレース

理想的な均質ストリップラインモデルでは、εeff = Dk となります。これにより遅延計算は非常に簡単になりますが、ストリップラインのインピーダンスは計算されません。実際のストリップラインのインピーダンスを計算するには、配線寸法、銅箔厚、プレーン間隔、およびスタックアップの詳細が必要です。

マイクロストリップ：表面トレース

マイクロストリップ配線には、空気中とPCB基板の両方に電界が存在します。この計算機は、配線幅W、誘電体高さh、およびバルク誘電率Dkに基づいた、一般的な準静的近似式を用いて有効誘電率εeffを計算します。その結果、従来の空気暴露型マイクロストリップ配線の場合、バルク誘電率Dkよりも低い値が得られます。

マイクロストリップ線路の場合のみ、このツールは導体厚さゼロの閉形式近似を用いて、予備的な特性インピーダンスZ₀も表示します。ただし、これはソルダーマスク、有限の銅厚、銅の粗さ、周波数分散、製造公差は考慮していません。そのため、基板製造工場のインピーダンスフィールドソルバーの代わりにはなりません。

実例：Dk 4.2 vs. 3.8

理想的な埋め込み型50mm伝送線路の場合、Dk = 4.2では約341.80psの片方向遅延が発生し、Dk = 3.8では約325.12psの片方向遅延が発生します。これは、同じ物理的長さで16.68psの差があることを意味します。上記の計算ツールで線路長を変更するか、マイクロストリップに切り替えると、お使いの形状に対応する結果を確認できます。

FR4 ダークナイト vs. ディフェンダー：両方が重要な理由

Dkは電磁波の伝搬、位相速度、伝送線路のインピーダンスに影響を与えます。Df （誘電正接、または誘電損失係数）は誘電体のエネルギー損失を表し、信号減衰に寄与します。Dkが低いPCB材料は、必ずしもDfや総挿入損失が低いとは限りません。高速およびRF材料の選定においては、銅損、表面粗さ、回路形状に加え、DkとDfの両方を考慮する必要があります。

Dkが50Ωおよび100ΩのPCB配線に与える影響

誘電特性は、50Ωシングルエンド配線および90/100Ω差動ペアの特性インピーダンスに影響を与えますが、誘電率Dkだけではインピーダンスを計算するには不十分です。信頼性の高い制御インピーダンス計算には、スタックアップ形状、基準面配置、銅箔の仕上がり厚さ、線幅、そして差動ペアの場合は配線間隔と結合度が必要です。

上記のマイクロストリップZ₀の結果は、初期コンセプトの検証のみに使用してください。最終的な製造にあたっては、Highleap Electronics社に制御インピーダンス目標値と提案する積層構造を提供していただき、適切な形状と材料に関する前提条件を検討してください。

プリント基板メーカーに送るべきもの

インピーダンス制御が必要なFR4基板、または高速信号伝送が求められる基板の場合は、ラミネートグレード（または承認済みの代替品）、層構成、コア／プリプレグの詳細（入手可能な場合）、銅箔の仕上げ要件、制御ネットと目標インピーダンス、許容差、製造ファイル、および損失やタイミングに関する制約事項を含めてください。基板アセンブリプロジェクト全体については、部品表（BOM）、部品配置データ、およびアセンブリ要件も提供してください。

Highleap Electronicsは、プリント基板の製造および実装サービスを提供しています。製造可能な積層構造を検討する際には、材料の入手可能性、誘電体の厚さ、製造公差、実装時の加熱、および長期的な信頼性を考慮する必要があり、単に公称の誘電率（Dk）値だけを基準にすべきではありません。