PCB技術 - 高電圧PCB材料選定における重要な要素：CTI値の重要性

電子製品が湿度の高い高電圧環境で長期間安定して動作する必要がある場合、回路基板のCTI値は、成否を左右する隠れた要因となることがよくあります。多くのエンジニアは、電源、産業用制御システム、新エネルギー車用電子システムなどの設計において、CTIを軽視したために沿面電流、漏洩電流、さらには安全認証の不合格といった問題に直面してきました。

CTIとは、比較トラッキング指数（Comparative Tracking Index）の略です。これは、電界と電解質の影響下におけるPCB基板材料の表面トラッキングに対する耐性を測定する重要なパラメータです。簡単に言えば、汚染と電圧にさらされた際に、材料表面が導電経路の形成に抵抗する能力のことです。国際規格IEC 60112では、CTI試験方法が規定されています。標準電極を用いて、塩化アンモニウム溶液を材料表面に滴下し、材料表面に漏洩痕が現れるまで電圧を徐々に上昇させます。この試験で得られた電圧値が、材料のCTI値となります。

一般的なプリント基板材料の中で、通常のFR-4の沿面距離指数（CTI）は通常175V～250V程度と比較的低い値です。高電圧用途向けに特別に設計された材料の中には、600V以上のCTI値を達成できるものもあります。例えば、特殊な充填材を添加したFR-4やCEM-3などの高CTI高電圧基板、あるいはポリイミド（PI）などの特殊基板は、高電圧用途において非常に優れた性能を発揮します。

なぜCTIがそれほど重要なのでしょうか？高電圧環境では、材料のCTI値が不十分な場合、水分、塵埃、イオン汚染などが基板表面に容易に導電経路を形成し、沿面距離が不足することで、最終的には短絡、絶縁破壊、さらには火災のリスクにつながる可能性があります。これが、UL、IEC、TUVなどの安全認証において、沿面距離とCTIに関する厳しい要件が設けられている主な理由です。高CTI材料は、新エネルギー車用OBC充電器、太陽光発電インバータ、産業用周波数変換器などの製品において標準となっています。

図　高周波基板

実際の設計において、CTI値はPCBレイアウトに直接影響を与えます。CTI値が高いほど沿面距離を短くすることができ、高密度設計のためのスペースを確保できます。逆に、CTI値が低い材料では安全クリアランスを大きくする必要があり、基板面積の拡大とコスト増につながります。そのため、経験豊富なハードウェアエンジニアは、安全試験中に受動的に調整するのではなく、材料選定段階でCTI（チップ・ツー・ティア）を重要な性能指標として考慮します。

近年、電子製品の高電圧化と小型化が進むにつれ、材料メーカーは高CTIソリューションを次々と開発しています。ハロゲンフリーの高CTI基板の中には、環境要件を満たすだけでなく、トラッキング耐性も大幅に向上しているものがあります。同時に、コンフォーマルコーティングや高CTIソルダーマスクなどの表面処理プロセスによって、システム全体の漏洩電流耐性を向上させることも可能です。

しかしながら、高CTI材料は一般的に高価であり、特殊材料の中には、穴あけ加工の難易度の上昇や積層パラメータの調整など、特別な加工要件を伴うものもあります。設計者は、性能、コスト、製造性のバランスを見極める必要があります。低電圧から中電圧の民生用電子機器の場合、適切な設計マージンを備えた標準的なFR-4基板で十分な場合が多い一方、高電圧の産業用および車載用電子機器では、高CTIグレードの基板を選択することが優先されます。

5G、エネルギー貯蔵、新エネルギー車市場の急速な成長に伴い、PCB材料のCTIの重要性はますます高まるでしょう。ハードウェア開発チームにとって、CTIを深く理解することは、認証要件を満たすだけでなく、製品の信頼性と競争力を向上させるための重要なステップとなります。