最終更新： 2025 年 7 月 18 日

PCBの熱膨張係数（CTE）：完全ガイド

導入

あらゆる物質は熱くなると膨張し、冷えると収縮する。これは基礎科学だ。 プリント基板 (PCB)この膨張は、 熱膨張係数 (CTE)PCB の各部分が異なる速度で膨張すると、はんだ接合部のひび割れ、ビアの破損、さらには基板の反りなどの問題が発生する可能性があります。

この記事では、CTEの意味、PCB設計における重要性、そしてその対処方法について説明します。材料の選択、層構造の計画、長期的な信頼性の向上など、どのような場合でも、CTEを理解することは、耐久性の高いPCBを開発する上で鍵となります。

PCB の CTE とは何ですか?

熱膨張係数 の略 熱膨張係数これは、材料が熱くなったときにどれだけ膨張するかを示します。プリント基板では、銅や基板の材質など、異なる材料が加熱時に異なる速度で膨張するため、この値は重要です。

CTEは次のように測定されます。 ppm/°Cこれは1℃あたり100万分の1の膨張率を意味します。例えば、ある材料のCTEが17ppm/℃の場合、温度が1℃上昇すると、100万分の1ごとに17ppm膨張します。

PCB では、次の 3 つの方向に拡張が起こります。 ×, ええ、そして zX方向とY方向は基板の表面を横切り、Z方向は基板の厚さを横切ります。多くの問題は、材料がこれらの方向、特にZ軸方向で異なる膨張をすることで発生します。

PCB設計においてCTEが重要な理由

熱サイクルと材料応力

PCBは多くの場合 暖房と冷房はんだ付け中、テスト中、そして通常の使用中にも、基板内部の材料が膨張したり収縮したりします。しかし、すべての材料が同じように動くわけではないため、 ストレス.

大きな転換点は ガラス転移温度（Tg）基板の温度がこれ以上高くなると、基板の膨張が加速し、銅とはんだ接合部にさらに大きな圧力がかかります。 Tgより1サイクル上 同じくらいの損害を引き起こす可能性がある 1,000回の通常サイクルだからこそ、熱管理がとても重要なのです。

CTEの不一致によって引き起こされる現実世界の故障

材料の膨張率が異なると、問題が発生する可能性があります。 はんだクラック特に、 大きなチップ または BGAコンポーネント時間が経つと、これらの小さな亀裂により接続が切断される可能性があります。

の Z軸（基板の厚さ）もまた弱点です。穴の中の銅は、ビア圧力によって割れることがあります。また、 板の反り, 層が剥がれる、または パッドが外れた場合によっては、熱によって ブリッジに半田付け ピン間に電流が流れ、ショートを引き起こします。

これらの問題は PCB を損傷し、その寿命を縮める可能性があるため、設計時には CTE を念頭に置くことが重要です。

一般的なPCB材料のCTE値

PCBの材質によって、加熱時の膨張率が異なります。 CTE値 パフォーマンスと信頼性を向上させるために適切な材料を選択するのに役立ちます。ここでは、一般的な材料を簡単に紹介します。 CTE値 PCBによく使用される材料の場合:

材料	XY熱膨張係数（ppm/°C）	Z軸CTE（ppm/°C）
FR-4	14～17	Tg付近の50～200
ポリイミド	12～16歳	FR-4より低い
PTFE	—	100～280
銅	17	—
アルミニウム	23	—
シリコン	2.6	—

FR-4 最も一般的なPCB材料ですが、 Z軸のCTEはTg付近で急激に増加するこれにより、ビアにストレスが生じる可能性があります。
ポリイミド FR-4 よりも低い CTE で優れた高温安定性を備えているため、過酷な環境に最適です。
PTFE 高周波ボードに使用されますが、 はるかに高いCTE注意深い熱管理が必要になります。
銅、アルミニウム、シリコン レイヤー、コア、コンポーネントに使用され、それらはすべて 低いCTE、それが理由です マッチング素材 PCB 設計では非常に重要です。

これらの価値を理解することで、 CTE不一致時間の経過とともに、ひび割れ、はんだ接合部の破損、または基板の反りが発生する可能性があります。

PCBアセンブリにおけるCTE不一致の課題

コンポーネントとボードの拡張の不一致

PCBのすべての部品が加熱時に同じように膨張するわけではありません。例えば、 シリコンチップ はるかに少ない拡大 FR-4共通の板材である。これらを接合すると、動きの違いによって はんだ接合部 時間が経つとひび割れが生じます。

これは大きな問題です ＢＧＡ そして CSP パッケージ。これらの部品は柔軟なリード線がないため、応力を吸収しにくく、基板の加熱と冷却によって、その下のはんだボールが弱くなったり破損したりする可能性があります。

Z軸拡張とビア信頼性

の Z軸（PCBの厚さは）表面よりも膨張します。これにより、ビア層間を接続する小さな穴です。応力が高すぎると、ビア内の銅に亀裂が生じる可能性があります。

このリスクはさらに高くなる 深くて狭いビア。 ボード内の樹脂 ガラス繊維よりも膨張するため、ビアに応力がかかり、ビアが故障する可能性が高くなります。

鉛フリーはんだと高い熱膨張係数

多くのメーカーが現在 鉛フリーはんだ 環境規制を満たすために。しかし、鉛フリーはんだは通常 より高いCTEつまり、加熱するとさらに膨張します。

問題を防ぐためには、 はんだ付け工程を調整する適切な温度とタイミングを使用することで、より効果的な実装が可能になります。また、基板や部品に適したはんだ付けを行うことで、ストレスを軽減し、信頼性を向上させることができます。

CTE問題を最小限に抑える戦略

材料選択のヒント

CTEの問題を軽減するには、まず 適切な材料。使用 低熱膨張ラミネート 特に長期間の使用が求められるデバイスでは、安定性が向上します。 高Tg そして 吸湿性が低い 熱にも強いです。

PCBが 過酷な環境航空宇宙や産業機械など セラミック基板 は素晴らしい選択です。高温下でも強度を保ちます。

スタックアップと設計の最適化

PCBの層をどのように構築するかも大きな違いを生みます。 対称的な積み重ね ボードを平らに保ち、バランスを保つのに役立ちます。 異なる素材 異なる層に分けてストレスを分散させます。

特別な追加 コア層 で作られた金属, ケブラー、または炭素特に Z 方向におけるボードの拡張量を制御するのに役立ちます。

はんだ付け工程管理

PCBのはんだ付け方法も重要です。 温度を制御する はんだ付け中は、加熱速度や温度に注意してください。基板や部品の損傷を防ぐためです。

選ぶ 一致するはんだ ボードとコンポーネントをうまく組み合わせてください。また、 Tg温度を超えないようにする 組み立て中に何度も繰り返すと、時間の経過とともにボードが弱くなる可能性があります。

熱管理ソリューション

適切な熱管理はCTEストレスを軽減するのに役立ちます。 サーマルビア, ヒートシンク、または 余分な銅領域 熱を拡散させ、熱い部分を避けるのに役立ちます。

敏感な部品の場合 BGAチップ、使用 アンダーフィル サポートを追加し、基板の膨張と収縮によるはんだ接合部の割れを防ぐのに役立ちます。

テストと検証の方法

PCBが長期間、特に熱や冷却に対して良好に動作することを確認するには、いくつかの重要なテストを実行することが重要です。これらのテストは、問題を早期に発見し、ボード全体の信頼性を向上させるのに役立ちます。

熱サイクル試験

熱サイクリング PCBを何度も加熱・冷却して、ストレスへの耐性を検査することを意味します。これにより、次のような問題を発見するのに役立ちます。 はんだ接合部のひび割れ, 壊れたビア、または 層分離 膨張と収縮によって引き起こされます。

はんだ接合部のX線検査

BGAのような部品では、はんだ接合部をはっきりと見ることができません。そのため X線検査 便利です。隠れた問題を明らかにします。 ひび割れ、隙間、または弱い接合部 これは、組み立て時の CTE の不一致によって発生する可能性があります。

異なる温度における反り測定

PCBは温度変化によって曲がったりねじれたりすることがあります。反り異なる温度で基板を加熱することで、基板が平らに保たれているかどうかを確認できます。基板が反りすぎると、部品が損傷したり、組み立てに問題が生じたりする可能性があります。

温度範囲全体にわたる電気テスト

最後に、走るのは良いことです 電気テスト 低温と高温の両方で動作するため、ボードが高温または低温になった場合でも正常に動作することを確認できます。これは、 接続の問題 早い。

特殊用途におけるCTEの考慮

一部のPCBは特殊な環境で使用され、 CTE制御 さらに重要です。いくつかよくある例を見てみましょう。

高周波/RF PCB

で 高周波またはRFボード小さなサイズの変化が影響を与える可能性がある 信号品質基板が熱で膨張すると、配線間の距離がずれて、次のような問題が発生することがあります。 インピーダンスこれを避けるには、 低く安定したCTE そして、 層の厚さ 一貫性のある。

航空宇宙および医療用途

PCBの 航空宇宙 または 医療機器 完璧に機能する必要がある 極限状態失敗は許されません。だからこそデザイナーは次のような素材を使うのです。 ポリイミド または セラミック、より良い 耐熱性 あまり拡大しないでください。

フレキシブル基板とリジッドフレックス基板

フレキシ ble そしてリジッドフレックスPCB 柔らかい素材と硬い素材を組み合わせる。それらが接合する部分、いわゆる 遷移帯材料の膨張率が異なると、弱点となる可能性があります。これらの部分を慎重に計画し、 柔軟な接着剤 損傷を防ぐのに役立ちます。

これらの例が理由を示している CTEの管理 特殊なアプリケーションでは、設計が重要です。少しの計画でPCBの信頼性を大幅に向上させることができます。

CTE制御における将来の動向と革新

技術が進歩するにつれ、PCB設計者は新しい管理方法を見つけています。 熱膨張係数 熱や膨張によって引き起こされる問題を軽減します。

CTE制御のための新しい材料: 新しい素材 LCP（液晶ポリマー）, セラミック複合材料、そして カーボン充填ラミネート 熱特性を向上させるために、これらの材料が使用されています。これらの材料は熱膨張が少なく、高性能環境や高温環境における基板の信頼性向上に役立ちます。

有限要素解析（FEA）: 多くのエンジニアが現在使用しています 有限要素解析（FEA） PCBの製造前に、熱に対する反応を確認します。このツールは応力点を予測するのに役立ち、設計者はプロセスの早い段階で材料やレイアウトをより適切に選択できます。

カスタムCTEを備えた3DプリントPCB：と 3Dプリント、今では次のようなPCBを作成することができます。 カスタムCTEプロファイルつまり、ボードを特定の方法で拡張できるように構築できるということです。これは、通常の製造では難しいことです。

環境に優しくリサイクル可能な素材: さらに注目されているのは 持続可能性。新しい バイオベースのラミネート そして リサイクル可能な材料 優れたCTE性能を維持しながら、廃棄物を削減する設計が採用されています。これにより、PCBは信頼性が高く、地球にも優しい製品となっています。

つまり、よりスマートなツールとより優れた材料が先導し、CTE 制御の将来は有望であると言えます。

結論

管理 PCB設計におけるCTE 基板の強度と信頼性を維持するには、熱膨張係数（CTE）が重要です。適切な材料を選択し、適切なレイアウトを計画し、綿密なテストを実施することで、ひび割れ、反り、はんだ接合部の不具合といった一般的な問題を回避できます。電子機器の小型化と高度化が進むにつれて、CTEへの配慮はますます重要になっています。

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