FR4 vs ロジャース：どのPCB材料を選ぶべきか？
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従来、メーカーは耐熱性に優れ、製造コストが低い材料を用いてPCB（プリント基板）を製造してきました。しかし、電子産業が高周波用途へと拡大する中、FR4だけでは不十分です。極端な温度にさらされない機器でも、RF（無線周波数）帯で動作する必要が生じる場合があります。RFが要求する過酷な性能条件に対応するため、PCBの最高の機能性を発揮するには、ロジャース社のような特殊材料が不可欠です。PCB設計における各種ビアの種類に関する最新記事をご覧ください。ロジャースの幅広いPCB材料ポートフォリオは、以下のような多様な用途での使用を可能にします：
- •5G NRミリ波アンテナ
- •衛星通信
- •レーダーシステム
- •自動車用センサー
- •航空宇宙アビオニクス
- •高速データ通信
- •試験計測機器
これらの最先端エレクトロニクス分野において、ロジャースのPCB材料が優れたソリューションとなる理由を探ってみましょう。
FR4とは：
FR4は熱硬化性ガラス繊維強化エポキシ樹脂複合材です。これはほとんどのPCBの基盤となる伝統的な材料であり、難燃レベル4（Flame Retardant Level 4）の略称です。エポキシ樹脂とガラス繊維で構成される複合材料であるため、メーカーはこれをシート状に成形し、片面または両面に銅箔を積層します。
FR4の主な特性と特徴：
低コスト - FR4は最も経済的なPCB基板材料の一つ
適度な誘電率 - 1MHzで約4.5
適度な損失正接 - 1MHzで約0.02
しかし、FR4は誘電損失による高周波性能の制限があり、多くのRF用途には不向きです。比較的高いかつ不安定な誘電率と損失正接のため、精密アナログ回路や高速デジタル回路にも不向きです。
ロジャースとは:
FR-4とは異なり、ロジャース基板材料は異なる組成を有します。ガラスではなくセラミック基材を使用するタイプもあります。炭化水素で強化されたガラス織物など様々な組成が利用可能で、PTFEに極めて近い電気的特性を提供します。
ロジャース材料の主な特性：
安定した誘電率 - 厳密に制御され、材料により2.9～10.2の範囲で変動
低損失正接 - 10 GHzで約0.0009～0.002
優れた高周波性能 - ミリ波周波数まで低信号損失
低熱膨張率 - 信頼性確保のため銅の熱膨張係数に適合
精密な誘電特性、銅との高い適合性、低損失特性により、ロジャース材料は高性能を要求されるマイクロ波、通信、航空宇宙、高信頼性アプリケーションに最適です。ただし特殊な材料組成のため、面積当たりのコストはFR4の5～10倍となります。
ロジャースPCB材料の種類:
ロジャース社は様々な用途向けに多様なPCB材料を製造しています。主な種類は以下の通りです：
FR-4とロジャース材料の7つの主な相違点：
1. 動作周波数
FR-4基板とロジャース材料基板の主な相違点は用途にあります。FR-4基板は動作周波数が特定の範囲内に収まる場合にのみ正常に機能します。一方、ロジャース材料製のPCBははるかに広い周波数範囲で動作可能です。例えば、FR-4 PCBが10MHzに到達するのが困難な場合でも、ロジャースPCBは500MHzを大きく超える用途でも良好に動作します。
2. 材料硬度
FR-4とロジャース材料では材料硬度に大きな差がある。FR-4は主にエポキシ樹脂で構成され、非常に硬い。一方、ロジャース材料は炭化水素系であるため、比較的柔らかい。
3. 加工技術
ロジャース材料は高周波動作を想定していますが、PTFEマイクロ波基板材料とは異なります。ロジャース材料シリーズは、スルーホール加工用の特殊処理など特別な処理を必要とせず、追加の工程も不要です。
FR-4材料はエポキシガラス布積層板であり、安定した電気絶縁性、平滑な表面、良好な平坦性、ピットの発生がないという特徴があります。優れた電気絶縁性が求められる製品に適している。また、PCB穴あけ用バッキングボード、FPC補強材、遊星歯車、試験板、モーター絶縁体など、多様な用途に使用可能である。
4. コスト
コストは電子機器にとって重要な要素である。顧客は最高の性能と経済性を兼ね備えたPCBを提供するメーカーを求める。FR-4を用いた基板製造はコスト削減が可能ですが、この材料は低周波数・中温環境下での動作に適しています。一方、高速動作や高温環境を要する用途では、高価であってもロジャース材料の使用がより適しています。
5. インピーダンス安定性
FR-4材料の最大誘電率は4.5です。これに対し、ロジャース材料の誘電率は約2.2～12.85です。ロジャース材料の高い誘電率は、高いインピーダンス安定性に寄与します。
6. 熱特性
高速動作アプリケーションでは、基板は過熱による動作不良を防ぐため優れた熱容量も必要とする。ロジャース基板は高い熱特性により、高温環境下や高速アプリケーションにおいてFR-4よりも優れた性能を発揮する。
7. 信号完全性
ロジャース基板材料の損失係数は0.004%である。これに対し、FR-4材料の損失係数は0.02%である。ロジャースPCB材料の著しく低い損失係数は、信号損失を大幅に低減し、信号の完全性を向上させる。
結論：
通常のFR-4とロジャースPCB材料の包括的な比較、および用途に最適な材料の選定方法について提示しました。ロジャースPCB材料は、PCB製造に特別なプロセスを必要としない利点があります。適切なケースでは、設計者は高周波を扱う層にのみロジャース材料を使用し、その他の層にはFR-4を使用することで、ロジャース材料の高コストを相殺できます。
無線・マイクロ波周波数、モバイルネットワーク、宇宙技術に関わるプリント基板製造において、ロジャースPCB材料はFR4を含む他のあらゆるPCB材料と比較しても妥協のない性能を提供する。他の材料に比べて高価ではあるが、プリント基板が過酷な環境条件下、高周波数、極めて高い信頼性で動作しなければならない場合には、ロジャースPCB材料は追加コストに見合う価値がある。
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