ハイブリッド積層の総合ガイド: 高周波および FR-4 材料の反りの制御

CORE（例えば、炭化水素セラミック低損失ラミネートRF-35A）などの高周波材料と従来のFR-4材料を組み合わせたハイブリッド積層は、プリント基板（PCB）製造において不可欠な工程となっています。ハイブリッドPCBラミネートは、高周波ラミネートの優れた電気特性とFR-4の低価格性および機械的安定性を兼ね備えています。そのため、ハイブリッドラミネートPCBは、コスト効率と性能のバランスが求められる高速、RF、マイクロ波アプリケーションに最適なソリューションとなります。ハイブリッドRogersおよびFR-4基板構造の場合、製造前に、接着システム、プレスサイクル、および層アライメントを積層構成全体として見直す必要があります。

しかし、ハイブリッド ラミネート PCB の製造には、熱膨張係数 (CTE)、誘電率 (Dk)、熱安定性などの材料特性の固有の違いにより、大きな課題があります。これらの違いにより、ラミネート プロセス中およびその後の熱サイクル中に機械的応力が生じることが多く、反り、剥離、または機械的故障につながる可能性があります。このような問題は、PCB の構造的および電気的信頼性を損なうだけでなく、生産歩留まりを低下させ、全体的な製造コストを増加させる可能性もあります。

この記事では、反りの制御と信頼性の確保に重点を置き、ハイブリッドPCBラミネートプロセスを最適化するための詳細な推奨事項とベストプラクティスを提供します。議論では、通常CORE（高周波材料）+ PP（プリプレグ）+ CORE（FR-4）として設計される4層ハイブリッドラミネートPCBスタックアップの戦略について説明し、適切な材料選択、スタックアップの対称性、およびプロセス制御が生産結果を大幅に向上させる方法を探求します。RFスタックアップでRO4460G2ボンディング層を使用する場合は、プレスサイクル、銅分布、および完成した誘電体間隔を製造業者と合意する必要があります。

ハイブリッドラミネーションの課題

炭化水素系セラミック低損失ラミネートやRF-35Aなどの高周波材料をFR-4とハイブリッドPCB積層構造に統合することは、高速かつRF性能が求められるアプリケーションにとって不可欠です。しかし、材料特性の違いは、信頼性と製造性を確保するために解決しなければならない課題を生み出します。主な懸念事項の1つは、熱膨張係数の不一致です。高周波材料は、FR-4よりも熱膨張係数（CTE）が低い場合が多く、この不一致により、積層および熱サイクル工程中に大きな機械的応力が発生し、反り、剥離、さらにはビアやマイクロビアの亀裂につながる可能性があります。この問題に対処するには、材料の慎重な選択と積層構造の最適化が不可欠です。

熱膨張の不一致

ハイブリッド ラミネーションにおける最も重要な課題の 4 つは、高周波材料と FR-4 間の熱膨張係数 (CTE) の不一致です。高周波材料は一般に FR-XNUMX に比べて CTE 値が低いため、ラミネーション プロセス中とその後の熱サイクル中 (はんだリフロー中など) の両方で機械的ストレスが発生します。このストレスにより、最終的な PCB の反り、材料界面での剥離、マイクロビアの割れなどの深刻な問題が発生する可能性があります。これらの問題により、PCB の機械的完全性と電気的性能が損なわれる可能性があります。熱膨張の不一致の影響を軽減するには、材料の選択と慎重なスタックアップ設計が不可欠です。

プリプレグの選択と対称性

プリプレグ (PP) はハイブリッド積層において重要な役割を果たし、積層間の接着層および誘電層として機能します。ただし、プリプレグの選択が不適切であったり、使用が適切でなかったりすると、応力の不均衡が著しく生じ、反りが生じる可能性があります。非対称のプリプレグ スタックアップは、積層中に樹脂の流れが不均一になることが多く、応力と機械的変形を悪化させます。均一な樹脂分布と応力バランスを確保するには、対称スタックアップ設計が推奨されます。適切な樹脂含有量とプリプレグの厚さの選択も、機械的安定性を維持し、内部の歪みを最小限に抑えるために不可欠です。

表面仕上げ関連の応力

表面仕上げの選択は、ハイブリッド PCB の反りや機械的安定性に大きく影響します。スズ スプレー (HASL) などのプロセスでは高温になるため、ラミネート ボードに追加の熱応力がかかる可能性があります。これはハイブリッド ラミネーションでは特に問題になります。ハイブリッド ラミネーションでは、高周波材料と FR-4 の CTE の不一致により、このような応力に非常に敏感になります。そのため、HASL はハイブリッド ボードには通常推奨されません。代わりに、ENIG (無電解ニッケル浸漬金) や OSP (有機はんだ付け防止剤) などの代替仕上げが好まれます。これらは熱応力が少なく、ハイブリッド アプリケーションに適しています。

材料のばらつき

ハイブリッド積層におけるもう一つの大きな課題は、材料のばらつきです。同じ材料カテゴリーであっても、異なるメーカーのFR-4製品は、樹脂含有量、ガラス転移温度（Tg）、熱安定性といった主要な特性にばらつきが生じる可能性があります。こうしたばらつきは、最終的なプリント基板において、剥離、反りの増加、機械的強度の低下につながる可能性があります。高周波材料との適合性が試験済みのShengyi S1141やS1170などの検証済みFR-4材料を使用することで、ハイブリッド積層において信頼性が高く安定した性能を確保できます。

高周波材料と FR-4 のハイブリッド積層には、熱膨張の不一致、プリプレグの選択と対称性、表面仕上げに関連する応力、材料のばらつきなど、いくつかの課題があります。これらの課題に対処するには、慎重な材料の選択、検証されたプリプレグの設計、製造中の適切なプロセス制御が必要です。ベスト プラクティスに従い、最適化された設計を採用することで、メーカーは反りが最小限で長期耐久性のある、信頼性が高く高性能なハイブリッド PCB を製造できます。

ハイブリッド積層設計に関する推奨事項

1.材料の選択

ハイブリッド積層板の反りを最小限に抑えるには、適切な材料の選択が不可欠です。実際の経験と実験データに基づいて、次のガイドラインが推奨されます。

• 20mil 25FR + FR-4 ラミネートの場合：25FR を炭化水素系セラミック低損失ラミネートに置き換えてください。炭化水素系セラミック低損失ラミネートは、FR-4 との機械的および熱的適合性が向上し、高周波アプリケーションで優れた性能を発揮します。

• 20ミル厚の炭化水素系セラミック低損失ラミネート＋FR-4ラミネートの場合：厚さ0.51mm、0.36mm、または0.18mmのFR-4材料を選択してください。中でも、機械的安定性に優れ、反り率が低い0.51mmと0.36mmが推奨されます。

• 20mil RF-35A + FR-4積層板の場合：厚さ0.10mm、0.18mm、または1.0mmのFR-4材料を使用してください。これらのオプションは、応力ミスマッチを効果的に低減し、反りを最小限に抑えることが実証されています。

2. 対称プリプレグスタックアップ設計と注文固有の調整

プリプレグ (PP) は、積層構造における機械的応力のバランスをとる上で重要な役割を果たします。非対称のプリプレグ設計では、多くの場合、応力の分布が不均一になり、大きな反りや機械的不安定性につながります。この問題に対処するために、積層中に最適な樹脂の流れと応力バランスを確保するためのガイドラインとして、次の対称プリプレグ スタックアップ設計が推奨されます。

• 1080 + 2116 + 1080
• 3313 + 7628 + 3313
• 2116×2

これらの構成は、内部応力の不均衡を最小限に抑え、反りを減らし、ハイブリッド積層全体で機械的安定性を維持するのに役立ちます。

ただし、それぞれの特定の注文では、エンジニアリング材料の在庫、インピーダンス要件、および生産の進捗状況に基づいて調整が必要になる場合があることに注意することが重要です。たとえば、インピーダンス制御を伴う注文では、正確な電気仕様を満たすために追加のスタックアップまたはプロセスの変更が必要になる場合があります。ここで提供される推奨事項は、4 層ハイブリッド ラミネーションの一般的な提案であり、すべての設計の固有の要件を網羅しているわけではありません。

ご注文の特定のプロセスと材料要件の詳細な評価については、当社のチームにお問い合わせください。当社のエンジニアは、実際の製造条件に合わせてスタックアップ設計とプロセス パラメータを最適化し、PCB にとって最良の結果を確実に得られるようにします。

3. 表面仕上げの推奨事項

ブリキ塗装（HASL）：

• • 錫スプレーは、熱応力が発生して反りが増加する可能性があるため、高周波材料と FR-4 を組み合わせたハイブリッド ボードには通常推奨されません。
  • 錫溶射が避けられない場合は、炭化水素系セラミック低損失積層板とFR-4のハイブリッド積層板にのみ適用可能です。炭化水素系セラミック低損失積層板は、その熱特性と機械的特性により、この表面処理によって生じる応力に対して高い耐性を示します。

4. 予想される反り性能

上記のガイドラインに従うと、ハイブリッド積層の予想される反り性能は次のようになります。

• 炭化水素セラミック低損失ラミネート＋FR-4ハイブリッドラミネートの場合: 反りを0.7%以内に抑えることができます。
• RF-35A + FR-4ハイブリッドラミネート用: 反りを1.0%以下に抑えることができます。

これらの結果により、機械的安定性が大幅に向上し、信頼性の高い PCB 生産の業界標準に準拠します。

5. 承認されたFR-4材料

高周波材料とのハイブリッド積層には、特定の FR-4 材料のみがテストされ、検証されています。次の FR-4 材料が推奨されます。

• S1141
• S1170

Shengyi Technology が製造する両材料は、高周波材料との優れた適合性を示し、反りを最小限に抑えて信頼性の高い結果を保証します。

6. その他の材料に対するカスタムソリューション

炭化水素セラミック低損失積層板およびRF-35A以外の高周波材料を含むハイブリッド積層板の場合、上記の推奨事項は必ずしも普遍的に適用できるとは限りません。各ケースは、以下のような材料の具体的な特性に基づいて評価する必要があります。

• 熱膨張係数（CTE）
• ガラス転移温度（Tg）
• 誘電率（Dk）
• 樹脂含有量

メーカーは、材料サプライヤーと協力し、徹底的な試験を実施して、これらのシナリオに最適なスタックアップ設計とラミネーション プロセスを決定することをお勧めします。

ハイブリッドラミネーションのプロセスに関する考慮事項

1. ラミネート後の応力緩和

ハイブリッド PCB のラミネート プロセス、特に 25FR と FR-4 を組み合わせた高周波材料を含むプロセスでは、反りを防ぎ信頼性を確保するために、熱と機械の綿密な制御が必要です。ラミネート後のベーキングは、ラミネート プロセス中に発生した内部応力を解放するための重要なステップです。追加の圧力をかけずに、制御された熱環境でボードを安定させることが重要です。これにより、さらなる変形が回避され、樹脂システムが完全に硬化して、残留機械的応力が大幅に軽減されます。この段階で均一に加熱し、ゆっくりと熱を冷却すると、特に高周波ラミネートや FR-4 などの熱膨張係数が異なる材料を扱う場合に、ボードの寸法安定性と構造バランスを維持するのに役立ちます。

2. 最終検査修正ベーキング

最終検査段階で反りが検出された場合、修正ベーキングによりボードを効果的に再調整し、平坦性を回復できます。ハイブリッド ボードを圧力をかけずに 150°C で 2 時間ベーキングすると、ラミネート層が緩和され、応力が均等に再分配されます。この制御された熱暴露中に、ラミネート樹脂がわずかに軟化し、層間の応力緩和が促進されます。変形の再発を防ぐには、即時かつ均一な冷却が重要です。冷却のためにボードを大理石の表面に置くと、平坦で安定したプラットフォームが確保され、修正された平坦性を維持しながらラミネートが均一に固まります。この手順はハイブリッド スタックアップにとって特に重要です。高周波コアと FR-4 の材料特性が異なるため、冷却が不均一になると反りが悪化する可能性があるためです。

3. 寸法安定性と長期信頼性の確保

ラミネート後プロセスと修正ベーキング プロセスはどちらも、ハイブリッド PCB の信頼性と精度を確保する上で重要な役割を果たします。これらの手順に従うことで、メーカーは制御された応力緩和を実現し、寸法安定性を高め、その後の組み立て段階での剥離や機械的故障を防ぐことができます。これらの技術的な改良は、ハイブリッド スタックアップが製品のライフサイクル全体にわたって機械的および電気的完全性を維持することを保証するため、高周波性能が要求されるアプリケーションにとって特に重要です。

最適なハイブリッドラミネーションの実現: 主な利点と業界で検証された実践

上記の材料選択、スタックアップ設計、プロセス制御の推奨事項を実装することで、PCB メーカーは次の利点を実現できます。

1. 反りの低減炭化水素系セラミック低損失ラミネートとFR-4を組み合わせたハイブリッド基板は、反り率を0.7%以内に抑えることができ、RF-35AとFR-4を組み合わせた基板は、反り率を1.0%未満に抑えることができます。これらの数値は業界標準を十分に満たしており、信頼性の高い性能を保証します。
2. 信頼性の向上反りを最小限に抑えることで、組み立て時や操作時の剥離や割れなどの機械的故障のリスクが軽減されます。
3. 電気的性能の向上: 平坦性と機械的安定性を確保することで、高周波信号の完全性が維持され、電気性能が向上します。
4. より高い利回り反りが減少すると、不良品となる基板が減り、製造歩留まりが向上し、コストが削減されます。
5. 材料の互換性: 承認された使用 FR-4材料 対称的なスタックアップ設計により、高周波材料と従来の FR-4 との互換性が確保されます。

これらのガイドラインは、ハイブリッド ラミネーションの特定の課題に対処するために調整されており、広範な業界経験と検証に基づいています。追加の質問やカスタム要件については、メーカーは材料サプライヤーや PCB 製造業者と協力して、特定のニーズに最適なソリューションを開発することをお勧めします。