高周波PCB: 製造,設計,RF性能最適化

顧客が人間化したイメージ

高周波PCBは,1GHz以上の信号を処理するボードとして定義され,現代無線技術の骨組みです.5Gネットワークや衛星通信からレーダーシステムやIoTデバイスまで標準PCBとは異なり,コストと基本的な機能が優先されますが,高周波設計では信号の完整性,インピーダンスのマッチング,損失最小化に関する正確な制御が必要です.設計 の 些細 な 欠陥 や 製造 の 誤り も,信号 の 弱さ を 引き起こし ますこのガイドでは,重要な設計原則,製造技術,高周波PCBが信頼性の高い RF (ラジオ周波数) 性能を提供することを保証する材料の選択エンジニアやメーカーを導くための実用的なアプリケーションと比較分析とともに

高周波 PCB を ユニーク に する の は 何 です か
高周波信号 (1GHz+) は低周波の信号と異なる振る舞いをしており,PCB設計と製造に独特の課題をもたらします.
1皮膚効果:高周波では,電子は主に銅痕跡の表面に沿って (表面から1μ5μm以内) 流れ,効果的抵抗を増加させる.損失を最小限にするために滑らかな銅の表面を必要とします.
2信号衰弱: 高周波の信号は移動するにつれて強さを失う. 周波数とともに損失は指数関数的に増加する. 例えば,60GHz信号は標準FR-4で10インチ以上で電力の~50%を失います1GHzでは10%でした.
3阻力感度: 信号反射を防ぐために,一貫した特性阻力 (通常RFでは50Ω) を維持することが重要です.10%のインペダンスの不一致が1%の反射を引き起こす可能性があります..
4横断音声とEMI:高周波信号は電磁エネルギーを放出し,隣接する軌跡 (横断音声) や他のコンポーネント (EMI) に干渉する.
これらの課題には 特殊な材料や 厳格な耐久性 低周波PCBには不要な 高度な設計技術が必要です

高周波 PCB の 設計 の 基本 原則
高周波PCBの設計には,損失を最小限に抑え,阻害を制御し,干渉を減らすことに焦点を当てることが必要である.以下の原則は基本である:
1阻力制御
阻力 (Z0) は,軌跡幅,基板厚さ,および介電常数 (Dk) によって決定される.RFアプリケーションでは:
a. 特性インペデンス:ほとんどのRF回路では50Ωを目標とする (ビデオでは75Ω,ディフェリエンシャルペアでは100Ω).
b.耐受性:反射を最小限にするために,インペダントを目標の±5%以内に維持する.これは痕跡寸法 (±0.05mm) とDk (±0.1) を正確に制御する必要があります.
c. ツール: 3Dフィールドソルバー (例えば Ansys HFSS) を使ってインピーダンスをシミュレートし,軌跡幾何学と基板の性質を考慮する.

2トレースルーティング
a.短く直接的な経路:衰弱を減らすために痕跡長を最小限に抑える.28GHzで1インチの痕跡は低損失基板で~0.5dBを失い,複雑な設計で急速に増加する.
b.一貫した幾何学:インピーダンスの不連続性を引き起こす突然の曲がり,バイアス,または幅の変化を避ける.反射を減らすために90°の代わりに45°の角度を使用する.
c. 地面平面:低阻力回帰経路を提供し,干渉から守るために,RF軌跡の直下に連続的な地面平面を配置する.
最良実践:上層に高周波の線路を,直下の専用地平面で配置し,密度の強い結合のために薄い介電器 (0.2~0.5mm) で分離する.

3デザインを通じて
バイアス (特に透孔バイアス) はインピーダンスを妨害し,高い周波数で信号反射を引き起こす.緩和戦略には以下が含まれます:
a.マイクロビヤ:ストブ長 (経路の未使用部分) を最小限にするために盲目/埋葬マイクロビヤ (直径≤0.15mm) を使用します.ストブ <0.5mmは,2mmのストブと比較して60GHzで損失を30%削減します.
b. 経路遮蔽: 線路を地面線路 (縫合線路) で囲み,放射線を収束し,横断音声を減らす.
c.アンチパッド最適化:インピーダンスの連続性を維持するために,サイズアンチパッド (地平面のバイアスの周りのクリアランス).

4構成要素の配置
a.グループ RF コンポーネント:クラスター増幅機,ミキサー,アンテナ,それらの間の痕跡距離を最小限に抑える.
b. アナログとデジタルセクションを隔離する. EMI を防ぐために,高周波RF回路をデジタル論理から分離する.単一のポイントで接続橋を設けた地平を分割する.
騒音源を避ける: 干渉を減らすため,電源,振動器,高電流の軌跡をRF経路から遠ざける.

高周波PCBのための重要な材料
材料の選択は高周波PCBの性能において 最も重要な要素であり,介電性特性が直接損失と信号の整合性に影響を与える.
1基板材料

キーメトリクス:
Dk 安定性:低Dk (3.0~3.5) は信号の遅延を最小限に抑え,温度 (±0.05) にわたって安定したDkは一貫したインピーダンスを保証する.
Df (分散因数):低Dfは介電質損失を減少させる. 28GHzでは,0.002のDf (RO4350B) は,Df 0.004 (Megtron 6) よりも50%少ない損失をもたらす.

2銅製のフィルム
a.表面荒さ:滑らかな銅 (Rz <1μm) は皮膚効果の損失を軽減します.非常に低プロファイル (VLP) の銅 (Rz 0.3 〜 0.8μm) は> 28GHzに最適です.
b.厚さ:0.5~1オンス (17~35μm) は導電性と皮膚効果をバランスする.厚い銅は皮膚効果のために高周波では利益をもたらさない.
c.アニール: ローリングされたアニール銅は,損失を増やすことなく,曲がった設計 (例えばアンテナ) の柔軟性を向上させる.

3ソーダーマスクとカバーレイ
a.溶接マスク:効果的Dkの増加を避けるために,薄 (10~20μm),低Dkの溶接マスク (例えば液体で撮影可能な) を使用する.
b.カバーレイ (Flex PCB):Dk <3.0のポリアミドカバーレイは,柔軟な高周波設計で信号の整合性を保ちます.

高周波PCBの製造技術
高周波PCBは性能を維持するために,より厳格な許容量と特殊なプロセスが必要です.
1精密エッチング
a.エッチ・トレランス:インピーダンスを維持するために ±0.01mmの痕跡幅制御を達成する.これはスプレー圧力制御を持つ高度なエッチングマシンを必要とします.
b. 低切断最小化: 低切断因子化学を用いて,低切断 (上部と下部の痕跡幅の差) を削減し,一貫したインピーダンスを確保する.

2掘削
a.微波孔孔:レーザー孔孔 (UVまたはCO2レーザー) は,高密度のRF設計において極めて重要な位置精度±2μmの0.05~0.15mmの微波孔を生成する.
穴を掘る: 118°の点角でカービッドの掘削を使用して,除去しない場合損失を増加させる樹脂の塗りつぶしを最小限に抑える.

3層化
a.温度と圧力の制御:ラミナートは,均等な介電厚さ (±5μm) を確保するために,正確な圧力 (20~30 kgf/cm2) と温度 (180~220°C) で結合されなければならない.
b.真空防止:真空ラミネーションは,Dk変動と信号損失を引き起こす空気泡を除去します.

4試験と検査
a.タイム・ドメイン・リフレクトメトリ (TDR):PCB全体でインピーダンスの不連続性を測定し,トラス幅の変動やストップなどの問題を特定する.
(b) ネットワーク解析器試験: 性能を確認するために,100GHzまでの挿入損失 (S21) と帰帰損失 (S11) を特徴付けます.
c.X線検査:BGA/RFIC部品の調整および溶接合体の品質をチェックする.

応用: 高周波PCBが作用する
高周波PCBは様々な最先端技術が可能で それぞれに独自の要求があります
15Gインフラストラクチャ
a.ベースステーション: 28GHzおよび39GHz mmWave配列は,損失を最小限に抑えるために,電解体厚さ0.5mmのRO4350B基板を使用する.
b.小型セル:コンパクトな5G小型セルは,高TgFR-4 (Megtron 6) を利用し,低コストで6GHz未満の帯域で利用できます.
c.要求事項: 28GHzでインチあたり<0.3dBの挿入損失; ±3%のインピーダンスの許容.

2航空宇宙と防衛
a.レーダーシステム: 77GHzの自動車レーダーと100GHzの軍用レーダーでは,最小限の損失のためにPTFE基板 (RT/duroid 5880) を使用する.
b.衛星通信:Ka帯 (26.5~40GHz) トランシーバーには,Dkが -55°Cから125°C以上で安定した放射線硬化材料が必要です.

3消費者電子機器
スマートフォン: 5G スマートフォンには FR-4 と LCP (液晶ポリマー) の PCB が 6GHz 未満のアンテナと mmWave のアンテナに組み込まれ,コストとパフォーマンスをバランスできます.
b.Wi-Fi 6E: 6GHz Wi-Fi ルーターは,多アンテナ MIMO デザインをサポートするために,高Tg FR-4 とマイクロビヤを使用する.

4医療機器
a.MRIコイル:高周波 (64MHz3T) のMRIコイルは,信号干渉を最小限に抑え,画像品質を改善するために低Dk基質を使用します.
ワイヤレスセンサー:ウェアラブルヘルスモニターは2.4GHzBluetooth接続のために柔軟なLCPPCBを使用し,低損失で適合性を組み合わせます.

比較分析:高周波対標準PCB

高周波 PCB 技術の 将来の 傾向
高周波PCBの性能をさらに向上させています
1グラフェン強化基質: Dk <2.0 と Df <0.001 のグラフェン浸透式電解体は,100+ GHz のアプリケーションを対象として開発中である.
2添加物製造:PCBと統合された3DプリントRF構造 (アンテナ,波導体など) は,損失を軽減し,統合を改善します.
3.AI駆動設計: 機械学習ツールは,トラスルールーティングと材料選択を最適化し,パフォーマンスを向上させながら設計時間を40%短縮します.

よくある質問
Q:PCBが処理できる 最大周波数は?
A: 現在の高周波PCBは,PTFE基板を用いて100GHzまで信頼性をもってサポートしています.新しい材料でテラヘルツ周波数まで拡張する研究が進行中です.

Q: FR-4 標準は高周波設計に使用できますか?
A:標準FR-4は,高いDfおよびDk変動のため<1GHzに制限されています.高度な高TgFR-4 (例えば,Megtron 6) は,コスト敏感なアプリケーションのために10GHzまで動作します.

Q:高周波PCBの性能に 温度がどう影響する?
A: 温度変化により基板Dkが変化し (通常は10°Cあたり+0.02) 阻力に影響を与えます.広い動作範囲で温度安定性のある基板 (例えばRO4350B) を使用します.

Q: 高周波PCBと標準PCBのコストの違いは?
A: 高周波PCBは,特殊な材料 (PTFEなど),より厳しい耐久性,先進的なテストにより 2 倍5 倍高い価格です.

Q: 柔軟なPCBは高周波に適していますか?
A:はい,LCP (液晶ポリマー) の柔軟性PCBは低損失で60GHzまで対応しており,曲線のあるアンテナやウェアラブルデバイスに最適です

結論
高周波PCBは次世代の無線技術の重要な要素であり 設計精度と材料科学と製造専門知識の 精密な組み合わせが必要です阻力制御を優先することで低Dk/Df素材による損失を最小限に抑え 先進的な製造技術を使用して エンジニアは1GHz以上で信頼性の高いPCBを作成できます
5Gベースステーションやレーダーシステム,医療機器のいずれにせよ 鍵となるのは 材料と設計の選択を アプリケーションの頻度,コスト,環境要件に合わせて調整することですワイヤレス技術がより高い周波数 (6G) に向いて前進するにつれて高周波PCBの革新は進歩の礎となるでしょう.

高周波PCBは 標準PCBのより速いバージョンではなく 特殊なシステムで 全ての材料や痕跡が独特の高周波の課題に直面する際に信号の整合性を保てるように設計されています.