「FR-4とCEM-3、名前は聞いたことがあるけれど、実際に何が違うのか説明できない」
基板の設計や発注に関わっていると、こうした場面に必ず一度はぶつかります。
どちらも電子機器の心臓部を支える基板材料であり、見た目だけではほとんど区別がつきません。
にもかかわらず、選び方を間違えると、量産後の反りや接続不良、想定外のコスト増加につながることがあります。
この記事では、FR-4とCEM-3の構造的な違いから、性能・価格・用途までを一つずつ整理していきます。
読み終える頃には、スペックシートを見ただけで「自分の用途にはどちらが適しているか」を自分の言葉で判断できるようになっているはずです。
FR-4とCEM-3とは何か。基板材料の基本構造とその違い
FR-4とCEM-3の違いを理解する出発点は、それぞれが何でできているかを知ることです。
なぜなら、性能や価格の違いは、すべてこの「構造の違い」から生まれているからです。
FR-4の基本構造。ガラスクロスと難燃性エポキシ樹脂
FR-4は、織られたガラス繊維の布（ガラスクロス）に、難燃性のエポキシ樹脂を含浸させて積層した銅張積層板です。
「FR」はFlame Retardant（難燃性）の略で、数字の4は難燃グレードを示しています。
具体的には、UL94という燃焼試験規格のV-0（着火しても自己消火する）という基準を満たすように設計されています。
多層基板の場合、ガラスクロスにエポキシ樹脂を含浸させた「プリプレグ」と呼ばれるシート状の中間材料を、必要な厚みになるまで複数枚重ねて熱圧着します。
例えば厚み1.6mmの基板であれば、7628タイプと呼ばれるガラスクロスのプリプレグを8枚程度重ねて成形するのが一般的な構成です。
この「布を編んで樹脂を含ませる」という構造が、FR-4の高い機械的強度と寸法安定性の土台になっています。
CEM-3の基本構造。ガラスクロスとガラス不織布のハイブリッド
一方のCEM-3は、CEM（Composite Epoxy Material）という名前の通り、複数の異なる材料を組み合わせた複合材料です。
表面には織られたガラスクロスを使いながら、内部の芯材には織られていないガラス繊維（ガラス不織布、いわゆるガラスマット）を使い、これらをエポキシ樹脂で一体化させています。
FR-4がすべての層で織物のガラスクロスを使うのに対し、CEM-3は内部の芯材を不織布に置き換えることでコストと加工性のバランスを取っている、という理解が実務的には分かりやすいです。
見た目にも違いが出ます。
CEM-3は乳白色に近い、なめらかな表面を持つのが特徴で、FR-4のような織り目の模様が目立ちにくい傾向があります。
慣れてくると、基板の切断面や表面を見ただけである程度の見分けがつくようになります。
規格上の位置づけ。IPC-4101とJIS C 6484
FR-4もCEM-3も、思いつきで決められた通称ではなく、業界規格の中に明確な位置づけを持っています。
国際的には、IPC（Association Connecting Electronics Industries）が発行する「IPC-4101」という規格が、リジッド基板・多層基板向けの積層材料（ラミネートおよびプリプレグ）の要求仕様を定めています。
この規格は数十種類のスペックシートで構成されており、FR-4系もCEM系も、それぞれ該当するシート番号のもとで樹脂系・強化材・難燃性などの要求値が細かく規定されています。（参考：IPC公式ストア https://shop.ipc.org/ipc-4101/ipc-4101-standard-only）
日本国内では、日本規格協会（JSA）が公開している「JIS C 6484」が、難燃性ガラス布基材エポキシ樹脂銅張積層板、つまりFR-4系材料に関する国内規格として位置づけられています。（参考：日本規格協会 https://webdesk.jsa.or.jp/preview/pre_jis_c_06484_000_000_2005_j_ed10_ch.pdf）
規格の裏付けがあるということは、メーカーが違っても一定の品質水準が保証されているということです。
発注時に規格名を確認する癖をつけておくと、後々のトラブルを防ぎやすくなります。
性能を徹底比較。耐熱性・電気特性・機械強度の違い
構造の違いが分かったところで、次に気になるのは「実際の性能にどれだけ差が出るのか」という点だと思います。
結論から言うと、FR-4とCEM-3の性能差は、多くの用途において決定的なものではありません。
ただし、細部を見ていくと、判断を左右するいくつかの違いが存在します。
ガラス転移温度（Tg）と耐熱性の違い
ガラス転移温度（Tg）とは、樹脂が硬い状態から柔らかい状態へと性質を変え始める温度のことで、基板の耐熱性を測る重要な指標です。
FR-4は、低Tgタイプでおおよそ130から140度、標準タイプで150から160度、高Tgタイプでは170度以上まで、グレードによって幅広く選べるのが特徴です。
これに対してCEM-3は、標準的なグレードでおおよそ125度前後とされており、FR-4の標準グレード(150度前後)と比べるとやや低めです。
ただし、はんだ付けなど通常の実装工程で問題になるレベルの差ではなく、多層化・高密度化・鉛フリーはんだの高温リフローといった、より厳しい熱負荷が想定される場合にFR-4の高Tgグレードが選ばれやすい、という理解が実情に近いです。
誘電率・誘電正接など電気特性の違い
高周波信号を扱う基板では、誘電率と誘電正接（信号のロスの大きさ）が設計上の重要な指標になります。
FR-4は、周波数1MHzにおいて誘電率がおよそ4.5前後、誘電正接がおよそ0.02前後とされており、中程度の特性を持つ材料として位置づけられています。
CEM-3についても、電気的特性はFR-4と同等クラスとされており、一般的な信号伝送用途であれば実用上大きな差にはなりにくいという評価が多くの技術資料で共通しています。
ただし、非常に高い周波数を扱う無線通信機器や高速デジタル信号を扱う基板では、そもそもFR-4自体が最適解ではなく、より低損失な専用材料が検討されるケースもあります。
その意味で「FR-4かCEM-3か」という比較軸に入ってくる時点で、多くの場合は超高周波用途ではない、と考えて差し支えありません。
加工性（穴あけ・打ち抜き）と寸法安定性の違い
意外と見落とされがちですが、製造現場にとって大きな違いになるのが加工性です。
FR-4はガラスクロスが緻密に織られているため、機械的強度と寸法安定性に優れる一方で、ドリルによる穴あけ加工では刃の摩耗が早く進みやすいという特徴があります。
CEM-3は内部が不織布になっている分、穴あけや打ち抜き加工がしやすく、ドリル刃の消耗もFR-4より緩やかになる傾向が報告されています。
一方で、CEM-3はFR-4と比べて厚み方向の寸法精度がやや劣り、はんだ付け工程後に反りが出やすいという指摘もあります。
「量産時の歩留まりや加工コストを重視するのか」「厚み精度や反りへの耐性を重視するのか」という視点で見ると、両者の加工性の違いが持つ意味が理解しやすくなります。
耐トラッキング性（CTI）の違い
耐トラッキング性とは、基板表面に湿気や汚れが付着した状態で電圧がかかり続けたときに、絶縁破壊（トラッキング現象）が起きにくいかどうかを示す指標です。
CEM-3は、CTI175V、CTI300V、CTI600Vといった複数のグレードが用意されており、用途に応じて耐トラッキング性を選べる点が特徴です。
FR-4についても同様に複数のグレードが存在しており、この点だけを見て一方が明確に優れているとは言い切れません。
むしろ重要なのは、湿度の高い環境や屋外設置機器など、トラッキングのリスクが高い用途では、材料の種類にかかわらずCTI値を必ず確認するという習慣そのものです。
価格差はどこから生まれるのか。コストだけで選ぶ危うさ
性能面で大きな決定的差がないのであれば、多くの人が次に気にするのは価格です。
一般的に、CEM-3はFR-4よりも材料コストを抑えやすい傾向にあるとされています。
材料コストの構造的な違い
この価格差は、偶然生まれているわけではありません。
CEM-3は芯材にガラス不織布を使うことで、すべての層を織物のガラスクロスにするFR-4よりも原材料や加工の負荷を抑えられる構造になっています。
また、先述の通りドリル加工時の刃の消耗が緩やかであることも、量産時の工具コストや設備の稼働効率という観点でCEM-3が選ばれる理由の一つになっています。
つまりCEM-3の価格の安さは「品質を落として安くしている」というより、「構造上、コストを抑えやすい設計になっている」と捉える方が実態に近いということです。
「安さ」だけで選ぶと起きがちな失敗
ここで一つ、実務上の注意点をお伝えしておきます。
基板材料の選定を価格だけで判断してしまうと、あとから思わぬ形でコストが跳ね返ってくることがあります。
典型的なのは、多層基板や高密度実装の設計にCEM-3を採用してしまい、寸法精度や反りの問題から量産段階で歩留まりが悪化してしまうケースです。
逆に、単純な片面・両面基板の量産案件にもかかわらず、必要以上に高いTgグレードのFR-4を指定してしまい、材料費が本来不要な水準まで膨らんでしまうケースもあります。
大切なのは「安いから」あるいは「なんとなく高性能そうだから」という単純な理由ではなく、次の章で説明する用途との相性を基準に選ぶことです。
用途別。FR-4とCEM-3、どちらを選ぶべきか
ここまでの内容を踏まえて、実際の用途別にどちらが向いているかを整理します。
FR-4が向いている用途
FR-4は、多層基板、高密度実装、車載機器、通信機器など、高い信頼性と安定した電気特性が求められる用途に適しています。
寸法安定性と機械的強度に優れているため、層数が多くなるほど、また実装密度が高くなるほど、FR-4を選ぶメリットが大きくなります。
自動車のように振動や温度変化が激しい環境で使われる基板や、長期間の信頼性が問われる産業機器にもFR-4が広く採用されています。
CEM-3が向いている用途
CEM-3は、家電製品や民生機器などに多く使われる、片面基板・両面基板、あるいは層数の少ない多層基板に適しています。
コストを抑えながら量産する必要があるコンシューマー向け製品や、電源基板のように比較的シンプルな構成の基板との相性が良いとされています。
特に日本国内では、CEM-3がFR-4の代替材料として非常に大きなシェアを持っており、片面・両面基板の分野では標準的な選択肢の一つになっています。
選定前に確認したい5つのチェックポイント
最後に、実際の選定シーンで確認しておきたいポイントを整理します。
まず1つ目は、基板の層数です。多層基板であるほどFR-4が有利になります。
2つ目は、実装環境の温度条件です。高温環境や鉛フリーはんだの高温リフロー工程がある場合は、Tgグレードを個別に確認する必要があります。
3つ目は、量産数量と加工コストのバランスです。数量が多いほど、加工性の違いが総コストに与える影響も大きくなります。
4つ目は、設置環境の湿度やトラッキングリスクです。屋外や高湿度環境で使われる基板は、CTI値を材料の種類にかかわらず必ず確認してください。
5つ目は、取引先の基板メーカーが対応可能な材料であるかどうかです。地域や工場によって得意な材料が異なるため、早い段階で確認しておくと手戻りを防げます。
実務で押さえておきたい注意点
性能や価格の比較だけでなく、実務で見落とされがちな注意点も押さえておきましょう。
反り・そりのリスクとその対策
CEM-3は、はんだ付け工程などの熱負荷を受けた際に、FR-4よりも反りが出やすい傾向があると指摘されています。
これは芯材が不織布であることによる寸法安定性の差が背景にあります。
対策としては、基板の厚みやサイズに対して無理のない設計にすること、そしてリフロー条件を材料に合わせて事前にメーカーとすり合わせておくことが有効です。
設計段階でこの傾向を織り込んでおけば、量産後になって初めて反りの問題に気づく、という事態を避けやすくなります。
環境対応（ハロゲンフリーなど）の最新動向
近年は、FR-4・CEM-3のどちらにおいても、臭素や塩素の含有量を一定基準以下に抑えたハロゲンフリータイプの製品が増えています。
環境規制や取引先からの要求事項として、ハロゲンフリー対応が指定されるケースも増えてきているため、材料選定の際にはこの点も合わせて確認しておくと安心です。
グレード表を確認する際は、Tgや誘電特性だけでなく、ハロゲン含有量の項目にも目を通しておくことをおすすめします。
よくある質問
FR-4とCEM-3は、設計を変更せずにそのまま置き換えられますか。
単純な片面・両面基板であれば、置き換えが可能なケースは多くあります。ただし、多層基板や高密度実装の基板では、寸法安定性や反りの違いが影響することがあるため、事前に基板メーカーへ確認することをおすすめします。
CEM-3はFR-4より品質が劣る材料なのですか。
品質が劣るというより、構造上の得意分野が異なると捉えるのが正確です。片面・両面基板や層数の少ない基板であれば、CEM-3はFR-4と同等の実用性能を発揮します。
個人の電子工作や試作用途では、どちらを選べばよいですか。
シンプルな片面・両面基板であれば、コストを抑えられるCEM-3で十分なケースがほとんどです。多層基板を試作する場合は、寸法安定性を重視してFR-4を選ぶ方が無難です。
CEM-3は多層基板に使えますか。
使用自体は可能ですが、多くのメーカーは層数の少ない基板での使用を推奨しています。高密度な多層基板では、寸法安定性に優れたFR-4が選ばれることが一般的です。
ハロゲンフリー対応は、FR-4とCEM-3のどちらが進んでいますか。
どちらの材料にもハロゲンフリータイプが用意されており、対応状況はメーカーやグレードによって異なります。環境規制への対応が必要な場合は、個別のスペックシートで含有量を確認してください。
まとめ
FR-4とCEM-3は、どちらも身近な基板材料でありながら、構造の違いが性能・加工性・価格の違いに直結しています。
FR-4はすべての層に織物のガラスクロスを使うことで高い機械的強度と寸法安定性を実現し、多層基板や高信頼性が求められる用途に向いています。
CEM-3は芯材にガラス不織布を使うことでコストと加工性のバランスを取り、片面・両面基板を中心とした量産用途で高いコストパフォーマンスを発揮します。
大切なのは、価格や漠然としたイメージだけで選ぶのではなく、層数、使用環境の温度、量産数量、設置環境の湿度、取引先の対応可否という5つの視点から、自分の用途に合った材料を選ぶことです。
この記事で整理した内容を判断基準として持っておけば、今後の基板材料選定で迷う場面は大きく減っていくはずです。
