高熱安定性のためのポリイミドPCB材料の詳細解説

主なポイント

• 2つの形態：柔軟なフィルム（割れずに曲がる）または剛性のあるガラス積層板（構造的安定性）として利用可能。  
• 優れた耐熱性：Tgが250°C～410°Cに達し、200°Cを超える動作温度に対応。  
• 高いビア信頼性：z軸方向の膨張がわずか1.2%（50°C～260°C）で、メッキ穴のクラックを防止。  
• 必須のベーキング：重量比で最大2.8%の水分を吸収するため、層間剥離を防ぐためにリフロー前のベーキングが必要。  
• JLCPCBのフレキシブル対応：高信頼性用途に最適。JLCPCBは1～4層のフレキシブルポリイミドFPCに対応。

ポリイミドPCBは、FR-4 がすでに軟化してしまうような温度でも機能し続けることができます。だからこそ、エンジンルーム、衛星、ダウンホール掘削ツールに採用されるのです。トレードオフはコストです。ポリイミド積層板は従来のFR-4よりも数倍高価になることがあるため、アプリケーションがその熱的・機械的優位性を本当に必要とする場合にのみ使用する意味があります。

このガイドでは、以下を学びます：

• ポリイミドとは何か、なぜ2つの異なる形態で存在するのか
• Tg、CTE、分解温度がFR-4とどのように比較されるか
• その水分挙動が役立つ場面と害になる場面
• どの業界がコストを払い、何を得ているか
• JLCPCBが現在ポリイミドで実際に製造できるもの

図1：ポリイミドフレキシブル回路

先進PCB材料としてのポリイミドの理解

ポリイミドが部品表に含まれる理由は1つです。通常の積層板を破壊してしまうような温度でも、寸法的・化学的安定性を維持します。標準的なFR-4は140°Cでゴム状になります。それ以上の温度には異なる樹脂骨格が必要です。その骨格がポリイミドであり、同じ名前で2つのまったく異なる製品として存在します。

ポリイミドとは何か、電子機器におけるその化学組成

ポリイミドは、芳香族鎖に組み込まれた窒素の環であるイミド環から構成されるポリマーです。二無水物とジアミンを反応させて、ポリアミック酸として知られる可溶性中間体を作り、それをメーカーが反応させます。イミド化とは、高温で環を閉じて水を放出するプロセスです。環が閉じると、鎖に弱い結合はなくなります。したがって、この材料は熱可塑性樹脂のように溶融することはできません。

以下に述べることのほとんどは、硬化したポリイミドが軟化せず、分解するという理由によるものです。明確な融点を避けた設計です。通常のエポキシは脂肪族セグメントを持ち、約400°Cから熱が鎖を化学的に切断する容易なターゲットを露出させます。この化学はFR-4よりもはるかにコストがかかり、だからこそポリイミドはFR-4の数倍の価格で販売されています。

図2：PCB製造に使用されるポリイミドの2つの形態

2つの異なるポリイミドがあり、最も頻繁な材料選択の誤りはそれらを混同することです。DuPont Kapton HNはガラスを含まない非強化ポリイミドフィルムです。厚さ12.5～125 µm（0.5～5 mil）のシートで提供されます。ガラス強化ポリイミド積層板はEガラス織物にポリイミド樹脂を含浸させたもので、Arlon 85Nなどがあります。どちらもポリイミドPCB材料と呼ばれますが、曲げることができるのはフィルムだけです。

ポリイミド基板の主要な物理的・熱的特性

Kapton HNの二次転移は360～410°Cの間にあり、DuPontはこれをKapton HNのガラス転移温度と考えています。これは260°Cまでの連続使用、400°Cまでの断続使用が可能です。フィルムは低温側では-269°Cまで使用可能です。したがって、極低温機器と炉のコントローラーを同じ基材で作ることができます。221 MPa、伸び75%で破断するため、25 µm（1 mil）のシートを折りたたんでも割れずに曲がります。

耐熱性は熱伝導性とは異なります。ポリイミドは前者にのみ優れています。Kapton HNは0.12 W/mK、Arlon 85Nは0.20 W/mKで熱を伝えます。どちらも一般的なFR-4の0.3 W/mKよりも低いです。高温の部品をポリイミド基板に配置しても、部品を冷却することはできません。その熱を移動させる必要がある場合でも、銅エリア、サーマルビア、またはメタルコアが必要です。

フィルムはガラス織物を含まないため、すべての電気的特性で優れています。まったく同じ理由で水分には弱いです。最後の2行がトレードオフのすべてを1か所に示しています。

ポリイミドの主要特性と従来のFR-4基板の比較

FR-4がデフォルトであるのには正当な理由があり、製造されるもののほとんどを処理します。以下の比較は3つの状況でのみ重要です。基板が高温環境に置かれる、厳しいサイクルに耐える、または曲がる必要がある場合です。これらはFR-4がついに余裕を失う条件です。

ガラス転移温度（Tg）と熱膨張プロファイル

Tgは、樹脂がガラス状態からゴム状態に変化する温度です。その下の樹脂はガラス織物と銅を所定の位置に保持します。それを超えると樹脂は軟化し、基板は厚さ方向に3～5倍膨張します。標準的なFR-4は130～140°Cでその線を越えますが、ポリイミド積層板は250°Cまで越えません。

メッキスルーホールは、一連のワッシャーを通る銅のリベットのようなものです。ワッシャー＝積層板の層。加熱されると、基板上で（リベットの軸に沿って）膨張します。銅は17 ppm/°C膨張し、Tg以上のFR-4は250～300 ppm/°C膨張します。したがって、ワッシャーはリベットが伸びることができるよりもはるかに大きな力を及ぼします。バレル壁が薄くなり、クラックが発生して断続的な断線として現れます。

図3：リベットとワッシャーの積み重ね

50～260°Cの全アセンブリ範囲で測定すると、Arlon 85Nはz軸方向に1.2%成長します。一般的なFR-4は同じ範囲で約3～4%成長します。この差が多層基板におけるポリイミドの論拠のすべてです。すべてのリフローパス、すべてのリワークサイクル、すべてのフィールド熱衝撃がその差を消費します。2回のリフローパスと2回のリワークイベントがある基板は、すでに260°Cを4回超えています。温度だけが懸念事項であれば、PCBのTgの選び方 が示すように、高Tg FR-4が依然として勝ちます。

誘電率、損失正接、吸水率

剛性ポリイミド積層板は1 MHzでDk 4.2、Df 0.010です。これは誘電率でFR-4と同等ですが、損失では明らかに優れています。FR-4は通常同じ範囲でDf 0.017～0.025なので、ポリイミドは誘電損失をほぼ半減させます。これは高速エッジのデジタル基板に役立ちます。しかし、Df 0.0027のRO4003Cのような専用RF積層板には遠く及びません。

非強化フィルムはガラス織物を含まないため、両方の点で優れています。Kapton HNは1 kHzでDk 3.4～3.6、Df 0.002です。JLCPCBのフレキシブルインピーダンス計算機はポリイミドスタックに誘電率3.3を使用しています。織物を除去するとファイバー織物スキューも除去されます。そのスキューは約5 Gbps以上のFR-4差動ペアで実際の問題になります。したがって、フレキシブルテール上のLVDSやMIPIペアは、織物積層板上の同じペアよりも制御が容易です。

図4：水分が本当の弱点

水分はポリイミドが優位性を返すところです。Kapton HNは23°Cで24時間後に自重の2.8%の水を吸収します。50%相対湿度での平衡状態でも約1.8%を保持します。FR-4は0.1～0.2%、Arlon 85N積層板は0.27%を吸収するので、裸のフィルムは約10倍の水分を吸収します。水の誘電率は78です。つまり、吸収された水分はDkとDfの両方を上昇させ、制御インピーダンスラインを静かに目標から外します。

ポリイミドPCBの重要な工学的優位性

極端な動作温度と熱衝撃に対する優れた耐性

基板が高温で連続動作した後は、分解温度がTgよりも重要になります。Arlon 85Nは387°Cで重量減少を開始し、407°Cで5%の重量損失に達しますが、一般的なFR-4は310°C～350°Cで同じ点に達します。ポリイミドはその60～90度の余裕を持って200°Cで無限に維持でき、経年劣化しません。樹脂の経年劣化は累積的です。150°Cに何年も曝された基板はゆっくりと調理されています。

熱衝撃は定常熱とは別のテストであり、接合部を破壊するものです。IPC-TM-650メソッド2.6.7は基板を温度極値間でサイクルさせます。銅と樹脂のミスマッチが迅速に損傷を与えます。ポリイミドの低いz軸膨張は、各サイクルがバレル壁に蓄積するひずみが少ないことを意味します。だからこそ、後で誰も修理できない機器で支配的なのです。ダウンホールロギングツールは175～200°Cで動作し、エンジンコントロールユニットは150°Cです。どちらもFR-4が長期間耐えられる範囲をはるかに超えています。

優れた機械的耐久性と耐薬品性

ポリイミドフィルムは単に耐熱性があるだけでなく、本当に強靭です。Kapton HNは221 MPa、伸び75%で破断するので、薄いシートは破れる前に目に見えて伸びます。 カバーレイ保護フレキシブル回路は20万回以上の動的屈曲サイクルに耐えると評価されています。この数値は銅が電着ではなく圧延焼鈍されている場合にのみ当てはまります。したがって、フレキシブルテールはノートパソコンのヒンジや折りたたみ式スマートフォンに耐え、剛性基板では数週間で割れてしまいます。

耐薬品性は、熱性能を提供するのと同じ芳香族骨格から来ています。燃料、油圧作動油、グリース、およびほとんどの有機溶剤は硬化したポリイミドに影響を与えません。だからこそエンジンルームや工作機械の筐体に耐えるのです。例外は強アルカリで、濃縮塩基はイミド環を加水分解して鎖を開きます。121～134°Cでの繰り返し蒸気オートクレーブも同様に攻撃します。したがって、何百回も滅菌される医療アセンブリにはポリイミド上にコンフォーマルコーティングが必要です。

業界全体におけるポリイミドPCBのミッションクリティカルな用途

ポリイミドは、故障した基板の交換が不可能、高価、または危険な場所に現れます。以下の業界はその1つの制約を共有しています。それ以外にほとんど共通点はありません。

図5：ポリイミドがコストに見合う場所

航空宇宙、自動車、産業制御の高温環境

衛星には2つの罰則があり、ポリイミドは2つの目的を果たします。LEO宇宙船は約90分ごとに地球を周回します。したがって、15年のミッションはハーネスに約87,000回の熱サイクルをもたらします。真空脱ガス限界がそれに加わり、他にほとんど合格するものはありません。

エンジンルームがよりコンパクトになるにつれて、自動車電子機器が同じスペースを占めるようになりました。最も厳しい環境クラスはAEC-Q100 Grade 0で、-40～+150°Cです。これにはトランスミッション搭載コントローラーや排気管の近くにボルトで固定されたものが含まれます。樹脂は経年劣化しますが、FR-4はそれに耐え、Tgは低下します。バレルの1つが開くまで、メッキバレルはサイクル損傷を蓄積します。ポリイミドではそうならず、エンジン上センシングの標準となっています。

産業制御は、はるかに地味な理由で基板に同じ要求を課します。温度は同じくらい高いですが、予算はめったにそうではありません：

• ダウンホール掘削およびロギングツールは175～200°Cで数日間動作し、熱に加えて激しい振動があります。
• 炉およびキルンコントローラーはプロセスに十分近く、基板自体が200°Cを保持します。
• 溶接および誘導加熱装置は高い周囲温度と強い電磁界を組み合わせます。
• 航空機エンジンセンシングは熱と振動に同時に直面し、飛行中にサービスアクセスがありません。

高信頼性防衛および医療センシング電子機器

防衛ハードウェアは熱的理由と同じくらい認定理由でポリイミドを購入します。軍用フレキシブルプリント配線は長い間MIL-P-50884に基づいて製造されてきました。現在の作業はIPC-6013 Class 3で認定されています。これはダウンタイムが許容されない機器のティアです。Class 3はアニュラリング、メッキ厚、熱応力要件を厳格化します。したがって、テスト中にあまり移動しない基板はそれらの限界をはるかに容易に保持できます。レーダーアレイ、アビオニクスバックプレーン、シーカーヘッドはすべてポリイミド上にあります。

医療電子機器は、その狭い曲げ半径のためにポリイミドフィルムに移行します。25 µm（1 mil）基板は銅を割ることなくほぼ1 mm（40 mil）の曲げ半径まで折りたたむことができ、センサーアレイをカテーテルに挿入できます。このフィルムはエチレンオキシドおよびガンマ滅菌で寸法的に変化しません。補聴器や超音波プローブ、内視鏡カメラアセンブリ、植込み型リードの基盤です。

JLCPCBにおける先進基板処理と製造

JLCPCBにおけるポリイミドは、剛性基板ではなくフレキシブル回路を意味します。このサービスはFPCのベース誘電体としてポリイミドフィルムを中心に構築されています。剛性ポリイミド積層板はカタログになく、リジッドフレキシブルも執筆時点では提供されていません。したがって、剛性ポリイミドを本当に必要とする設計は専門のファブリケーターに行く必要があります。以下はすべて、実際に運用されているフレキシブルポリイミドプロセスを説明しています。

精密ラミネーションと高温材料取り扱い能力

ベースフィルムは25 µm（1 mil）と50 µm（2 mil）の厚さで提供されます。接着剤ありと接着剤なしの両方の構造が利用可能です。接着剤なしは銅をポリイミドに直接結合し、間のアクリル層を除去します。そのアクリルは約105°C、エポキシ接着剤は約155°Cが上限です。接着剤なしスタックは300°C以上を保持するので、部品が繰り返し曲がるか2回リフローされる場合は常にそれを選択してください。

図6：JLCPCBポリイミドフレキシブルの構造

ポリイミドフレキシブルビルドは固定された順序で積み重なります。その順序を知ることでDFMフィードバックがはるかに読みやすくなります：

1. ベースポリイミドフィルム、25 µm（1 mil）または50 µm（2 mil）、銅箔を担持。
2. 銅箔、12 µm（0.33 oz）、18 µm（0.5 oz）、または35 µm（1 oz）、基板が曲がる場所では圧延焼鈍。
3. カバーレイ、真空下でラミネートされた2番目のポリイミドフィルム、黄色、黒、白、または透明。
4. 補強材、ポリイミド0.1～0.25 mm（4～10 mil）、FR-4 0.1～1.6 mm（4～63 mil）、またはステンレス鋼0.1～0.3 mm（4～12 mil）。
5. 表面処理、ニッケル上の金1または2マイクロインチのENIG、HASLはフィルムを変形させるため。
6. オプションのEMIシールドフィルム18 µm（0.7 mil）をカバーレイ上に配置。

層数は1～4で、追加層ごとに柔軟性が犠牲になります。4層フレキシブルは移動ヒンジではなく静的設置に十分な剛性になります。最小トレースとスペースは1 oz銅で0.1 mm（4 mil）。穴は0.1～6.5 mm（4～256 mil）、最大標準パネルは234×490 mm（9.2×19.3 in）です。

厳格な材料品質検証と信頼性の高い製造基準

フレキシブル製造は剛性作業とは異なるIPC文書のセットに準拠します。IPC-4204はフレキシブル銅張り誘電体自体を規定します。IPC-4203はカバーレイと接着フィルムをカバーし、IPC-2223は断面設計標準です。完成パネルはIPC-6013に対して認定されます。これはIPC-6012のフレキシブル版です。剛性セットではなくこれら4つを読むことで、DFM質問の1ラウンドを節約できます。

• カバーレイ開口部をパッドに正確に一致させることが最も頻繁なエラーです。真空ラミネーションはカバーレイを約±0.1～±0.15 mm（4～6 mil）にしか位置合わせしません。したがって、パッドの一部が部分的に覆われてはんだ付け不能になります。すべての開口部を片側あたり少なくとも0.1 mm（4 mil）拡大してください。
• 曲げゾーンに電着銅を指定することはスタックアップ図では無害に見えます。ED銅は繰り返し曲げで破断する柱状晶構造を持っています。したがって、部品が実際に動く場所には圧延焼鈍銅を指定してください。
• リフロー前のベーキングを省略すると単一の接合部ではなくパネル全体が犠牲になります。ポリイミドは蒸気になると積層板を膨らませるのに十分な吸収水を保持します。真空バッグが開いていた場合は120°Cで2～4時間ベーキングしてください。

入荷フィルムは厚さとラミネーションの完全性が検証されます。完成基板は出荷前に電気テストを通過します。水分管理はFR-4よりもはるかに重要なので、パネルはベーキングされ真空密封されます。注文は他の基板と同じように機能します。Gerberを JLCPCB見積もりページにアップロードし、基板タイプとしてフレキシブルを選択すると、価格がリアルタイムで更新されます。

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ポリイミドPCBに関するFAQ

Q：ポリイミドPCBはフレキシブルPCBと同じですか？

まったく同じではありませんが、2つは大きく重なっています。ほとんどすべてのフレキシブルPCBはポリイミドフィルムをベースとして使用しています。ポリイミドはまったく曲がらない剛性ガラス強化積層板としても存在します。

Q：ポリイミドPCBは連続してどのくらいの温度に耐えられますか？

剛性ポリイミド積層板は200°C以上に対応します。ポリイミドフィルムは260°Cまで定格されています。どちらの数値も、部品とはんだ合金もその温度に耐えられることを前提としています。

Q：安全のためにポリイミドを使うべきですか？

いいえ、決して使わない余裕に対して数倍のコストを払うことになります。標準FR-4は約105°C以下で問題ありません。高Tg FR-4は130°Cまでのほとんどの設計をカバーします。

Q：JLCPCBは剛性ポリイミドPCBを製造していますか？

いいえ。JLCPCBにおけるポリイミドは25 µmと50 µmのベースフィルムのフレキシブル回路材料としてのみ利用可能です。リジッドフレキシブルも現在提供されていません。

Q：ポリイミド基板はなぜはんだ付け前にベーキングが必要ですか？

ポリイミドはFR-4よりもはるかに多くの水を吸収し、自重の最大2.8%に達します。その水はリフロー炉で蒸気になり基板を膨らませます。120°Cで2～4時間のベーキングで先に追い出します。

結論

ポリイミドはFR-4のアップグレードというよりも、異なる問いに対する異なる答えです。FR-4は安価で、剛性があり、十分であることを求められます。ポリイミドは周囲のすべてが高温で、動いているか、到達不能なときに寸法を保持することを求められます。そのように選択を枠組みすると簡単になります。何かがそれを要求するときにのみ250°CのTgに対して支払うからです。人々を驚かせる特性は水分なので、ポリイミド基板はベーキングが必要なものとして扱ってください。

フレキシブルポリイミドは剛性版よりも速く広がっています。折りたたみディスプレイ、ウェアラブルセンシング、縮小する自動車モジュールはすべて同じ方向に引っ張っています。このトレンドは注目に値します。フレキシブルテールはしばしばコネクタ、ハーネス、2つの故障点を一度に除去するからです。次の設計にヒンジがあるか、FR-4が処理できない周囲温度がある場合、JLCPCBのポリイミドフレキシブルはそれをプロトタイプする実用的な方法です。