多層PCB製造におけるプリプレグ（Prepreg）の役割
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PCBのスタックアップ構成には、層（Layers）、プレーン（Planes）、コア（Core）、ベース、基材（Substrate）、ラミネート（Laminate）、そしてプリプレグ（Prepreg）が含まれます。
コアには FR-4、アルミニウム、Rogers などの材料が使用されます。一方、プリプレグは、隣接するコア同士、またはコアと銅箔層の間に配置される誘電材料です。多層PCBにおいて、プリプレグはPCBのコアと層を一体化させるための重要な材料です。
プリプレグとコアの違いを理解した上で、用途に対してどの材料を選択すべきでしょうか。また、めっき、エッチング、硬化工程の中で、重要な電気特性はどのように変化するのでしょうか。
多層PCBに最適なプリプレグ材料は、板厚、層構成、インピーダンス条件によって異なります。プリプレグは含有する樹脂量により、高樹脂（HR）、中樹脂（MR）、標準樹脂（SR）の3種類に分類されます。本記事では、多層基板およびPCBスタックアップの概要、プリプレグとは何か、そしてその役割について解説します。
1. PCB製造におけるプリプレグとは？
プリプレグ（Prepreg）とは「Pre-impregnated composite fiber（樹脂含浸済み複合繊維）」の略で、部分硬化状態の樹脂が含浸されたガラス繊維クロスを指します。名称の通り、プリプレグは基本的に絶縁フィルムです。
PCB製造において、プリプレグは誘電体材料として、2枚のコア間、または銅箔とコアの間に挿入され、必要な電気絶縁を提供します。多層PCBでは、銅張積層板同士を接着する層として機能し、電気的絶縁と機械的支持の両方を担います。
プリプレグは、誘電率（Dk）に基づいて制御インピーダンスなどの電気特性を調整する役割も果たします。また、機械的特性を強化し、PCBの信頼性と耐久性を確保します。樹脂は部分硬化状態であるため、ラミネーション時に熱と圧力を加えることで完全硬化し、均一で強固な接合が形成されます。
2. プリプレグの選択はPCBにどのような影響を与えるか？
プリプレグの選定は、PCBの品質、積層接合の完全性、放熱性能に大きく影響します。高周波設計では、比誘電率がインピーダンスや信号損失に影響を与えるため特に重要です。
また、樹脂が積層時に適切に流動することも重要なポイントです。適切なガラス転移温度（Tg）を持つプリプレグを選択することで、動作中の熱による反りやクラックを防ぎ、熱管理性能を向上させることができます。
3. PCB製造で使用されるプリプレグの種類
1. エポキシ系プリプレグ
エポキシプリプレグは、優れた接着性、高い機械強度、低い誘電率を持ち、PCB製造で最も一般的に使用されます。民生電子機器や通信機器など、高い信頼性と性能が求められる用途に最適です。
2. ポリイミド系プリプレグ
ポリイミドプリプレグは、高温環境に対する優れた耐熱性と耐環境性を持ち、航空宇宙、自動車、通信分野などの高温用途に使用されます。
3. ハロゲンフリープリプレグ
環境配慮型設計向けに、ハロゲンフリープリプレグが使用されます。医療機器など、環境安全性と持続可能性が求められる分野で採用されています。
4. プリプレグの製造工程
1. 含浸工程
ガラス繊維布に樹脂を均一に塗布し、接着剤および誘電体として機能するプリプレグを製造します。
- ガラス繊維布の準備：機械強度を確保するため、設計要件に応じた織密度の布を使用
- エポキシ樹脂槽：難燃性や柔軟性向上の添加剤を含む場合もあります
- 部分硬化（Bステージ）：ラミネーション時に樹脂が流動できる状態を維持
2. 乾燥および硬化
温度と時間を厳密に制御し、樹脂の硬化度を最適化します。過硬化や未硬化は接合不良の原因となります。
3. 切断および包装
規定サイズに精密切断し、樹脂含有量、ガラス繊維タイプ、厚みを明記して清浄な状態で包装します。
4. 樹脂含有量の管理
樹脂と繊維の比率は、電気特性と機械特性に大きな影響を与えます。
高樹脂量は絶縁性と接着性を向上させ、低樹脂量は高剛性を実現します。
5. PCB設計におけるプリプレグの欠陥
- デラミネーション：接合不良による層剥離
- 樹脂不足（Resin Starvation）：樹脂量不足による接着不良
- ボイド（空隙）：湿気や不均一な加圧・加熱が原因
適切な保管、ラミネーション条件管理により防止可能です。
6. プリプレグによるPCBインピーダンス制御
- 目標インピーダンス（例：50Ω、90Ω）を設定
- 配線幅・間隔とプリプレグ厚みを考慮
- 安定した誘電率（Dk）の材料を選択
- インピーダンス計算ツールを活用
7. プリプレグとコアの違い
プリプレグとコアはどちらも多層PCBに不可欠ですが、
コアは構造体、プリプレグは接着・絶縁材という異なる役割を持ちます。
課題と注意点
- 品質管理：厚み・樹脂量の厳密管理が必要
- 湿気感受性：適切な保管環境が不可欠
JLCPCBでは、高速・多層PCB設計において重要なプリプレグ材料の選定を重視しています。FR-4、アルミ基板、Rogersなどの高周波材料を含む幅広い材料を提供し、機械特性と電気特性の両立を実現します。
試作から量産まで、JLCPCBの高度な製造技術と低コストサービスにより、高品質なPCB製造をサポートします。
結論
適切なプリプレグの選択は、PCBの性能、品質、耐久性を維持するために不可欠です。プリプレグは接着材かつ誘電体として、機械的安定性と電気特性の両立を可能にします。特にGHz帯の高速信号設計では、誘電材料の選定が極めて重要です。
多層PCB製造におけるプリプレグの役割を正しく理解することで、設計者はPCB性能を最大限に最適化できます。
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