基板の熱膨張係数（CTE）とは？温度変化で基板が壊れる理由

基板の資料を見ていると「CTE」という数字が出てきます。Tg（ガラス転移温度）とならんでよく登場するのに、意味がわかりにくい代表格です。はじめは戸惑って当然です。この記事では、身近なたとえを使って、温度変化で基板が壊れる仕組みをやさしく解説します。

そもそもCTE（熱膨張係数）とは？

まず、CTEが何の数字なのかをはっきりさせましょう。CTEとは、温度が上がったときに、その材料がどれくらいふくらむか（膨張するか）を表す数字です。

モノは温めると、ほんの少しだけ大きくなります。これは身の回りでも起きていることです。たとえば、夏の暑い日にレールがふくらんで電車の線路がわずかに伸びる、というのは有名な話ですよね。

CTEの単位は「ppm/℃（ピーピーエム・パー・ど）」と書きます。難しそうですが、要は「1℃温度が上がるごとに、どれくらいふくらむか」を表しているだけです。数字が大きいほどよくふくらむ、とだけ覚えておけば大丈夫です。

基板は「ふくらみ方の違う材料」の組み合わせ

ここが、この記事の一番大事なポイントです。基板は1種類の材料でできているわけではありません。主に「銅」と「ガラスエポキシ（樹脂）」という、性質の違う材料が組み合わさってできています。

この2つは、温めたときのふくらみ方（CTE）が違います。違う材料がくっついているのに、片方はよくふくらみ、もう片方はあまりふくらまない。すると、お互いを引っぱり合うことになります。

数字でくらべてみる

CTEの差で基板はどう壊れる？3つの故障

ふくらみ方が違う材料がくっついていると、温度が変わるたびに引っぱり合いが起きます。この引っぱり合い（応力＝おうりょく）が、時間とともにいろいろな故障を引き起こします。代表的な3つを見てみましょう。

① 反り（そり）

基板の表と裏で、銅の量やふくらみ方のバランスが崩れていると、温まったときに片側だけ大きくふくらみます。すると、せんべいが焼けて反るように、基板全体がぐにゃっと曲がってしまいます。

② スルーホール破断（厚み方向のCTEが犯人）

基板の表と裏をつなぐために、細い穴の内側に銅のめっき（スルーホール）が通っています。先ほど見たように、厚み方向はよくふくらみます。温度が上がるたびに基板が厚み方向にグッとふくらむと、その中を通る銅のめっきが上下に引っぱられます。

③ はんだクラック

部品と基板も、ふくらみ方が違います。たとえばセラミックの部品と基板では、温度が変わるたびに伸び縮みの量に差が出ます。その差を、部品と基板をつないでいる「はんだ」が吸収しようとします。

でも、温度の上げ下げが何度もくり返されると、はんだが疲れてきて、やがてひび（クラック）が入ります。これがはんだクラックです。電気の通り道が切れて、接触不良の原因になります。

Tgを超えると厚み方向のふくらみが一気に増える

ここで、CTEと深く関係するもう1つの言葉「Tg（ガラス転移温度）」とのつながりを説明します。じつはCTEは、温度によって大きく変わるのです。

そして大事なのは、Tgを超えて樹脂が柔らかくなると、厚み方向（Z軸）のふくらみ方が一気に大きくなるということです。硬いうちはちょっとずつしかふくらまないのに、柔らかくなったとたん、グーンと一気にふくらみます。

だから、はんだ付けのときのような高温（鉛フリーはんだだと約250℃前後）になると、基板は余裕でTgを超え、厚み方向にグッとふくらんでスルーホールに大きな負担がかかります。Tgが高い材料（高Tg材）が選ばれるのは、この「Tgを超えたあとの急なふくらみ」をできるだけ避けたいからです。

「材料のCTE起因」と「銅のかたより起因」は別の話

基板が反る原因は、じつは2種類あります。ここを区別できると、ぐっと理解が深まります。混同しやすいので、整理しておきましょう。

この記事で扱ったのは左側の「材料のCTE起因」です。一方、表と裏で銅の量がかたよっていることで起きる反りは、設計の工夫で改善できる別の問題です。両方を知っておくと、反りの原因を切り分けられるようになります。

よくある質問（FAQ）

まとめ：CTEは「ふくらみ方の差」が故障を生む

これで、データシートの「CTE」の意味と、温度変化で基板が壊れる仕組みがわかりましたね。CTEはTgとセットで理解すると、基板材料の選び方がぐっと見えてきます。次の一歩として、関連する基礎を下の記事で深めてみてください。