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四層基板の層構成をどう決める？3つの定番構造を徹底解説

セットアップや使用方法

ルーターのメインボードや産業用制御基板など、多くの電子機器に採用される「4層基板」は、2層基板よりも信号配線と電源／GNDの分離が容易で、6層基板よりもコストを約40％抑えられるため、量産に最適な“コスパ王者”といえます。   しかし、多くのエンジニアがつまずくポイントが「層構成（ラミネーション順序）」です。コア材の位置を誤ると基板反りが発生し、プリプレグの選定を誤るとインピーダンス不良や層間剥離といった問題につながります。   本記事では、四層基板の基本構造、ラミネーション設計の原則、3つの代表的な層構成パターンを詳しく解説し、実際の製造トラブル事例と改善効果も紹介します。   四層基板の基本構造とは？   四層基板は単純に「銅箔を4枚貼り合わせた板」ではなく、以下のような多層構造で形成されます。   コア材（Core）：両面に銅箔が貼られたガラスエポキシ基材で、基板の厚みと剛性を決定します。   プリプレグ（Prepreg）：接着剤の役割を果たします。加熱加圧により樹脂が流動し層を接着します。誘電率（Dk）の選択が信号品質に直結します。   銅箔（Copper Foil）：配線形成に使用します。外層（L1/L4）と内層（L2/L3）に分かれ、厚みは通常1/2oz～2ozです。   標準的な構造は以下の通りです。   L1（外層銅箔） – Prepreg – コア材（L2/L3 銅箔） – Prepreg – L4（外層銅箔）   四層基板ラミネーションの2つの原則 1. 対称構造を守ること – 基板反りを防ぎます   上下層の厚みや材料が非対称だと、冷却時の応力差で反りが発生します。 例：上層に0.1mmのPrepreg、下層に0.2mmを配置 → 層圧後に反り1.5mm（規格値0.5mm以下）になります。   2. 信号層と電源層を分離 – ノイズ干渉を抑えます   L1/L4を信号層、L2/L3を電源 - GND層とするのが基本です。 Prepregが薄すぎると電源ノイズが信号に干渉し、誤り率が10⁻¹²から10⁻⁹に悪化する例があります。   四層基板の3つの代表的な層構成パターン ① コア材を中央に配置する「標準型」   構造： L1 – Prepreg (0.1～0.15mm) – Core (0.6～0.8mm, L2/L3) – Prepreg – L4   特徴：   最も対称性が高く、反りが少ない（≦0.3mm）です。   信号層とGND層の距離が均等で、インピーダンス誤差を±3%以内に抑えられます。   量産コストが安く、汎用性が高いです。   用途： ルーター、TV、産業用制御基板などの一般電子機器に使用されます。   ② 薄コア＋厚Prepregの「高周波型」   構造： L1 – Prepreg (0.2mm) – Core (0.4mm, L2/L3) – Prepreg (0.2mm) – L4   特徴：   信号と電源層の距離を確保し、クロストークを-30dBまで抑制します。   厚いPrepregにより放熱性も向上します。   基板厚が増加し、コストも上昇します。   用途： 5G RFモジュール、産業用センサー、高周波通信基板に使用されます。   ③ 薄コア2枚を積層する「高剛性型」   構造： L1 – Prepreg – Core A (0.3mm, L2) – Prepreg – Core B (0.3mm, L3) – Prepreg – L4   特徴：   曲げ強度が250MPa以上となり、自動車 - サーバー用途に最適です。   厚み調整が容易で（1.2～2mm）、幅広い用途に対応します。   製造難度が高く、コストも上昇します。  ​ 用途： 自動車ECU、サーバーボード、重量部品を搭載する基板に使用されます。   ラミネーション設計で注意すべき4つのポイント   Prepreg選定：高速伝送には低Dk材（例：Dk=3.8）を推奨します。25GHzで挿入損失を0.05dB/cm低減できます。   銅箔厚みの最適化：内層1/2oz＋外層1ozとすることで、コストを10%削減できます。   層圧条件：加熱は2℃/minで段階的に昇温し、180℃で60分保持します。急加熱すると気泡発生率が増加します。   冷却工程：自然冷却を行うことで応力集中を防止します。翹曲不良率を8%から2%に改善できます。   まとめ：正しい層構成選びで良率を15％向上させます   ある産業用基板メーカーでは、非対称構造を採用した結果、歩留まりが85%に低下しましたが、対称型に変更後は100%を達成しました。   反り：12% → 2%   インピーダンス誤差：±8% → ±3%   クロストーク：-18dB → -30dB    結論 四層基板のラミネーションは「コア位置」と「Prepreg設計」が重要です。 標準型：汎用 - 低コスト向けに最適です。 高周波型：通信 - 5G用途に適しています。 高剛性型：自動車 - サーバー用途に向いています。 基板設計者にとって、層構成の正しい理解は不良削減とコスト削減の鍵になります。