高速PCB設計に最適な材料：信号インテグリティと性能の最適化

高速PCB設計は,1GHzを超える信号周波数や10Gbpsを超えるデータ速さによって定義される.信号の整合性を維持し,損失を最小限に抑え,信頼性の高い動作を確保するために,特殊な材料を必要とします.標準PCBとは異なり高速設計 (5Gネットワーク,AI加速器,航空宇宙通信システムで使用) は,インピーダンスを制御するために設計された材料に依存します.減衰を減らす適正な基板,銅,電解材料を選択すると,PCBの高周波信号を分解せずに処理する能力に直接影響する.このガイドでは,高速PCB設計のための最良の材料を探ります.効率的な性能のために,特定のアプリケーションの要件にどのように適合させるか.

高速PCBの重要な材料特性
高速信号は低周波信号とは違います エネルギーを放出し 皮膚に影響を受け 交差音や反射に易くなりますPCB材料は4つの重要な分野で優れている必要があります:

1ダイレクトリック常数 (Dk)
介電常数 (Dk) は,材料が電力を貯蔵する能力を測定する.高速設計では:
a.安定性:Dkは,インパデンス制御を維持するために周波数 (1GHzから100GHz) と温度 (-40°Cから125°C) にわたって一貫して維持されなければならない.変化>±0.2は信号反射を引き起こす可能性がある.
b.低値:低Dk (3.0~4.5) は,伝播速度がDkの平方根に逆比例しているため,信号遅延を軽減します.
例:Dk = 3.0 の材料は,Dk = 4 の材料よりも 1.2 倍速く信号を伝達する.5.

2消耗因数 (Df)
消耗因数 (Df) は,電解材料の熱としてエネルギー損失を定量化する.高速信号では:
a.Low Df: 衰弱 (信号損失) を最小限に抑えるために重要です. 28GHzでは, 0.002 の Df は 10 インチのトラスで 0.004 の Df より 50% の減少をもたらします.
b.周波数安定性:Dfは周波数 (例えば,1GHzから60GHz) に伴い著しく増加してはならない.

3熱伝導性
高速PCBは,アクティブコンポーネント (例えば5Gトランシーバー,FPGA) と高電流密度により,より多くの熱を生成する.より高い熱伝導性 (≥0.3 W/m·K) より効率的に熱を散布する信号の性能を低下させるホットスポットを防止します

4ガラスの変化温度 (Tg)
ガラスの移行温度 (Tg) は,材料が硬から柔らかいものへと変化する温度である.高速設計では:
a.高Tg:溶接 (260°C+) と高温環境での動作 (例えば,自動車のホップの下部システム) の間での寸法安定性の維持に不可欠である.Tg ≥170°Cが推奨される.

高速PCBのための最高の基板材料
基板材料は,電解基底と強化繊維を組み合わせたPCBのコアを形成する.以下の材料は高速アプリケーションのための業界標準である:

1炭化水素セラミック (HCC) ラミネート
HCCラミネート (例えば,Rogers RO4000シリーズ) は,低Dk,低Df,およびコスト効率の理想的なバランスを提供する,陶器のフィラーと炭化水素樹脂を混合します.
a.主要特性:
Dk: 3.38 〜 3.8 (10GHz)
Df: 0.0027 〜 0.0037 (10GHz)
Tg: 280°C
熱伝導性: 0.6 W/m·K

利点:
周波数と温度 (±0.05) で安定したDk
標準PCB製造プロセス (エッチング,ドリリング) と互換性がある.
c.アプリケーション: 5Gベースステーション (サブ-6GHz),IoTゲートウェイ,自動車レーダー (24GHz).

2. PTFE (テフロン) ラーミネート
PTFE (ポリテトラフッロエチレン) ラミネート (例えば,ロジャース RT/デュロイド 5880) はフッロポリマーベースのもので,極端な高周波アプリケーションでは最も低いDkとDfを提供している.
a.主要特性:
Dk: 2.2~2.35 (10GHz)
Df: 0.0009 〜 0.0012 (10GHz)
Tg: 無 (無形,温度> 260°C)
熱伝導性: 0.25 〜 0.4 W/m·K
利点:
mmWave (28~100GHz) 信号ではほとんど理想的です.
優れた化学耐性
c.制限:
高コスト (HCCより3倍5倍).
特殊な製造が必要 (粘着性が低いため).
d. 応用: 衛星通信,6Gプロトタイプ,軍事レーダー (77~100GHz).

3高Tg FR-4ラミネート
先進的なFR-4ラミネート (例:パナソニック・メグトロン6) は,FR-4のコストメリットを維持しながら高周波性能を改善するために改変されたエポキシ樹脂を使用する.
a.主要特性:
Dk: 3.6~4.5 (10GHz)
Df: 0.0025 〜 0.004 (10GHz)
Tg: 170~200°C
熱伝導性: 0.3~0.4 W/m·K
利点:
HCCやPTFEよりも50~70%低コストです
広く利用可能で,すべての標準PCBプロセスと互換性があります.
c.制限:
HCC/PTFEよりも高いDfで,28GHz以上の使用を制限する.
d.アプリケーション: 10Gbps イーサネット,消費者電子機器 (5G スマートフォン),産業用ルーター.

4液晶ポリマー (LCP) ラミネート
LCPラミネート (例えば,ロジャースLCP) は,特異的な次元安定性と高周波性能を持つ熱塑性材料である.
a.主要特性:
Dk:3.0~3.2 (10GHz)
Df: 0.002 〜 0.003 (10GHz)
Tg: 300°C+
熱伝導性: 0.3 W/m·K
利点:
柔軟な高速PCB用の超薄型プロファイル (50~100μm)
低水分吸収度 (<0.02%),信頼性において極めて重要です.
c.アプリケーション:柔軟な5Gアンテナ,ウェアラブルデバイス,高密度インターコネクト (HDI) PCB.

銅 フィルム ― 高速 信号 の 重要な 要素
銅ホイルはしばしば見過ごされていますが,表面の荒さと厚さは高速信号性能に大きく影響します.
1逆処理 (RT) 銅
RT銅は滑らかな電解面と粗い部品面があり,粘着と信号性能を均衡させる.
a.主要特性:
表面荒さ (Rz): 1.5~3.0μm
厚さ: 1270μm (0.5~3オンス)
利点:
高周波の信号損失を軽減します (滑らかな表面では皮膚効果が最小限に抑えられます).
基板に強い粘着力がある
c. 最適: 5Gおよび自動車レーダーにおける 1~28GHz信号.

2非常低プロファイル (VLP) 銅
VLP銅は,極端な高周波アプリケーションのために超滑らかな表面 (Rz <1.0μm) を備えています.
a.主要特性:
表面荒さ (Rz): 0.3~0.8μm
厚さ: 12μ35μm (0.5μ1.5オンス)
利点:
>28GHzで挿入損失を最小限に抑え,皮膚効果損失を減らす.
c.制限:
粘着性が低い (特殊な粘着剤が必要).
d.最も適用:衛星および6GシステムにおけるmmWave (28~100GHz).

3焼いた銅
熱処理により柔らかさを向上させ,柔軟な高速PCBに最適化する.
a.主要特性:
張力強度: 200~250 MPa (標準銅では300~350 MPa).
柔軟性寿命: >100,000サイクル (180°の曲がり)
b.最も適用:ウェアラブル機器や曲線アンテナに搭載される柔軟なLCPPC.

比較分析: 応用による高速材料

材料 の 選択 に 関する 設計 の 考慮
適正 な 材料 を 選べば,性能 と 費用 と 製造 能力 の バランス を 取ら なけれ ば なり ませ ん.以下 の ガイドライン に 従い て ください.
1周波数とデータレート
a.<10GHz (例えば5Gサブ-6GHz):高TgFR-4またはHCCラミナットは低コストで十分な性能を提供します.
b.10~28GHz (例えば5G中帯域):HCCラミナイト (RO4000) は損失とコストのバランスを最も良くします.
c. >28GHz (mmWaveなど): 減衰を最小限にするために,PTFEまたはLCPラミネートが必要です.

2熱要求
a.高功率コンポーネント (例えば5G功率増幅器) は,熱伝導性 >0.5 W/m·Kの材料を必要とします (例えば,セラミックフィラーを含むHCC).
b.自動車や工業環境 (環境温度は>85°C) では,Tg ≥180°Cが必要である (例えば,Megtron 8,RO4830).

3費用の制限
a.消費者電子機器 (スマートフォンなど) はコストを優先します. 5Gサブ-6GHzでは高Tg FR-4 を使用します.
(b) 航空宇宙/軍事用アプリケーションは性能を優先します.高コストにも関わらず,PTFEは正当化されています.

4製造の互換性
a.PTFEとLCPは特殊なプロセス (例えば粘着のためのプラズマ処理) を必要とし,生産の複雑さを増加させる.
b.High-Tg FR-4とHCCは標準PCB製造で動作し,リードタイムとコストを削減します.

ケース・スタディ: 実用的なデザインにおける素材性能

ケース1: 5Gベースステーション (3.5GHz)
テレコムメーカーは3.5GHzの5Gベースステーションに0.5dB/インチの損失を伴うコスト効率の良いPCBを必要とした.
材料選択: ロジャース RO4350B (HCCラミネート) RT銅 (1オンス).
結果:
挿入損失:3.5GHzで0.4dB/インチ
PTFEの代替品よりも 30%低コストです
標準製造では95%以上の出力.

ケース2:自動車レーダー (77GHz)
自動車サプライヤーは,低1.0dB/インチ損失とTg≥170°Cの77GHzレーダー用のPCBを必要とした.
材料選択:VLP銅 (0.5オンス) を含むロジャースRO4830 (HCCラミネート).
結果:
挿入損失: 77GHzで 0.8dB/インチ
1000回の熱サイクル (-40°C~125°C) に耐える

ケース3:衛星通信 (Ka帯,28GHz)
28GHzの衛星接続のための PCBが必要でした 損失も放射線抵抗も最小限です
材料選択:RT/デュロイド5880 (PTFEラミネート) とVLP銅 (0.5オンス).
結果:
挿入損失: 28GHzで 0.3dB/インチ
放射線検査 (100krad) に 合格し,MIL-STD-883Hを満たした

次世代の高速PCB用の新素材
研究は高速材料の限界を押し広げています
a.グラフェン強化ラミネート:グラフェン浸透式電解物 (Dk = 2.5, Df = 0.001) は,熱伝導性 >1.0 W/m·K の 100 GHz 以上のアプリケーションに使用される.
b.バイオベースの高Tg FR-4: Dk = 3 の植物由来エポキシ樹脂.8, Df = 0003持続可能性に関する規制 (EUグリーン・デール) を遵守する.
c.メタマテリアル基板: 6Gシステムにおける適応性インピーダンスのマッチングのために調整可能なDk (2.0 〜 4.0) を備えた設計材料.

よくある質問
Q: 高Tg FR-4 は 28GHz のアプリケーションで使用できますか?
A: はい,しかし制限があります.高度な高Tg FR-4 (例えば,Megtron 7) は,短距離 (<6インチ) に適した約1.2dB/インチ損失で28GHzで動作します.より長い距離では,HCCまたはPTFEが良いです.

Q: 銅の厚さは高速運転の性能にどのように影響するのですか?
A:より厚い銅 (13オンス) は電流処理を改善するが,皮膚効果により>10GHzで損失を増加させる.高周波設計では0.51オンスVLP銅を使用する.

Q: 柔軟な材料は高速信号に適していますか?
A: はい,VLP銅付きLCPラミネートは柔軟な形状で60GHz信号をサポートします (例えば,ウェアラブルで曲がったアンテナ).

Q: 高速材料の典型的な製造時間は?
A:高TgFR-4とHCCラミネート: 2〜4週間. PTFEとLCP: 専門製造のため4〜8週間.

結論
高速PCB設計のための最適な材料を選択するには 信号周波数,熱要求,コスト,製造制約の深い理解が必要です高Tg FR-4 は,コストに敏感な1 〜 60GHzの性能とコストをバランスする. PTFEとLCPは,それぞれ極端な高周波 (28 〜 100GHz) と柔軟な設計を支配する.
5Gベースステーションでの損失を最小限に抑えるか,自動車レーダーにおける耐久性を確保するかのどちらかですが, 高速PCBの性能を最適化できます.信頼性6GとmmWave技術が進歩するにつれて 材料革新は 次世代の高速電子機器を 推進し続けます
高速PCBの性能を 適切な材料で変えます 周波数におけるDk/Df安定性 電力における熱伝導性高速設計の成功を保証するためにスケーラビリティのコスト.