高周波プリント基板とは

A 高周波PCB は、高い電磁周波数の信号に使用される特殊なプリント回路基板（PCB）である。これらの基板は、約300MHz以上の無線周波数（波長＜1m）および約3GHz以上のマイクロ波周波数（波長＜0.1m）用である。これらの基板は、マイクロ波ベースの銅張積層板で作られています。製造には、標準的なリジッドPCBステップを使用するか、これらの材料用の特別な方法を使用します。.

技術の急速な進歩により、マイクロ波帯（1GHz以上）、さらにはミリ波帯（30GHz以上）で動作するデバイスが増えている。これは周波数が上昇し、材料ニーズが高まることを意味する。ベースとなる材料には、非常に優れた電気特性と優れた化学的安定性が求められます。信号周波数が上がるにつれ、材料の損失は非常に低く保たれなければならない。5Gの到来により、高周波材料はより重要になった。.

高周波プリント基板の利点

1.高効率
誘電率の低い材料は低損失をもたらす。最新の誘導加熱や他の方法は、目標を達成し、高効率を維持することができます。また、これらの基板は廃棄物を減らし、環境に配慮した目標にも適合します。.

2.高速
信号速度は誘電率の平方根に反比例する。誘電率が低いほど伝送速度は速くなる。特殊な素材は誘電率を低く安定させます。これは信号の伝達を助けます。.

3.加熱または加工のコントロールが良い。
高周波ボードは、金属部品の精密な加熱を必要とする多くの分野で使用されている。加熱する深さや場所をコントロールできる。表面または深部の加熱に集中できます。集中して加熱することも、拡散して加熱することもできます。ボードは細かいコントロールが可能です。.

4.強い耐久性
誘電率と誘電材料は環境に依存する。湿度の高い場所では、湿気が基板を痛める。吸水率の低い材料で作られた高周波基板はこれに耐える。化学腐食、湿気、高熱に強く、剥離強度も高い。これらの特性は、ハードな環境下での強度を高めます。.

一般的な高周波および高速PCB材料

(これらの素材例を出発点としてください。それぞれのデザインには、頻度やレイアウトに適した素材の選択が必要です)。

高周波基板とHDI基板の違い

高周波プリント基板は、レーダー、テスト機器、自動車衝突回避システム、通信衛星、無線システムなどの分野に使用されます。HDI（High Density Interconnect）基板は、部品点数の多い小型機器向けです。HDIは体積の小さい製品に両面基板を使用することが多い。.

高周波基板は非常に高い工程管理と精度を必要とする。多くの場合、設計者はFR-4ガラスエポキシから始めるが、真の高周波基板は特殊な積層板を使用する。基板には、小さく安定した誘電率、低い誘電損失、低い吸水率、高い温度耐性、優れた耐食性が求められます。.

HDIボードは、高い配線密度を達成するためにマイクロブラインドビアを使用します。内部配線と外部配線があり、ドリルやメッキで接続します。HDIはコンパクトな製品向けです。一部のHDI設計では、モジュール式パラレル・モジュールと強力なDSP制御を電源と負荷機能に使用しています。.

高周波ボードの種類と分類

以下は、一般的なタイプとその処理に関する注意点である：

1.粉末充填サーモセット（セラミック充填）

• 材料とサプライヤーRogers 4350B / 4003C、Arlon 25N / 25FR、Taconic TLGシリーズ。.

• 加工：手順はFR-4エポキシ・ガラス・ラミネートと同様。ただし、板はもろく割れやすい。ドリルやルータービットの工具寿命は20%程度低下する。取り扱いは慎重に。.

2.PTFE（ポリテトラフルオロエチレン、テフロン）

• 材料とサプライヤー

  • ロジャースRO3000シリーズ、RTシリーズ、TMMシリーズ

  • アーロンAD/ARシリーズ、IsoClad、CuCladシリーズ

  • タコニックRFシリーズ、TLXシリーズ、TLYシリーズ

  • 泰興マイクロウェーブF4B / F4BM / F4BK / TP-2B

• PTFEの加工に関する注意事項：

  • 生シートをカットする際は、傷やプレス痕を避けるために保護フィルムを貼ってください。.

  • 新しいドリル（標準#130ドリルを推奨）を使用する。最良の結果を得るには、一度に1枚ずつドリルを使用する。クランプ圧は40 psi程度に保つ。.

  • 穴あけ時にPTFEを保持するため、アルミ製バックストップと1mmのメラミンパッドを使用する。.

  • 穴あけ後、熱風で穴からほこりを吹き飛ばす。.

  • 安定したドリルマシンを使用する。小さな穴の場合は、回転数を上げ、切りくずの負荷とスピンドルの戻り速度を下げる。.

  • ホール表面処理：低温プラズマまたはナトリウムナフタリン活性化により、ホールのメタライゼーションを助ける。.

  • PTH（めっきスルーホール）の銅析出と接着には注意が必要。.

3.PTH銅析出

• マイクロエッチング（～20マイクロインチ・コントロール）の後、PTHを行う。必要であれば、基板の配線に応じて2回目のPTHパスを実行する。.

4.ソルダーマスク（グリーンマスク）工程

• 前処理：酸／アルカリ洗浄を行う。.

• 前処理後、基板を焼き（90℃、30分）、ドライフィルムを貼る。.

• 3段階に分けて焼く：80℃、100℃、150℃、各30分。マスクにオイルスポットが見られた場合は、マスクを取り除き、アクティベーション・トリートメントを繰り返す。.

5.PTFEボードのルーティング／フライス加工

• 配線中は、PTFEトレース側に薄い紙を使用し、FR-4またはフェノール樹脂のバッキングでクランプする。.

• 配線後、エッジのバリを手作業で仕上げ、慎重に検査してください。銅や基板の表面を傷つけないようにしてください。硫黄を含まない分離紙を使用してください。バリをよく減らしてください。配線ステップでは、エッジの仕上げを良好にする必要があります。.

高周波PTFE基板の製造フロー

以下に一般的な3つのプロセスフローを示す。わかりやすくするために表にしてみた。.

注：各工程では、表面の傷やその他の欠陥を厳密に管理する必要がある。.

高周波プリント基板の用途

高周波PCBは一般的に、このような場所に出現する：

• パワーアンプとローノイズアンプ（LNA）

• モバイル通信製品とスマート照明システム

• 分圧器、カプラ、デュプレクサ、フィルタ、その他の受動素子

• 自動車衝突回避システム、通信衛星、無線電話システム

• 要するに、エレクトロニクスはより高周波に移行しており、高周波基板もこの傾向に沿っている。.

高周波プリント基板の設計方法

高周波PCB設計では、電源プレーンのレイアウトが重要です。通常、電源は独自のレイヤーに配置する。これにより、回路が最小インピーダンスの経路をたどることができます。電源プレーンは、PCB上のすべての信号のリターンパスを提供しなければならない。これによりループ面積が減少し、ノイズが減少する。低周波の設計者は、これらのノイズ問題のいくつかを無視しがちである。.

高周波プリント基板設計では、以下のルールを守ってください：

• パワーとグラウンドを安定させ、一体化させる。.

• 入念な配線と正しい終端処理で反射を除去。.

• 慎重な配線と正しい終端処理により、静電容量とクロストークの測定値を低減。.

以下、いくつかの重要なテーマを拡大する。.

(1) 送電線幅

高周波プリント基板設計における伝送線路幅は、インピーダンス整合理論に従わなければならない。.

インピーダンス・マッチング
入出力インピーダンスと伝送線路インピーダンスが一致すると、システムは最大出力と最小反射を得ることができる。マイクロ波回路の場合、整合はデバイスのバイアス点も考慮しなければならない。信号線上のバイアスは伝送特性を変える。TTLやCMOSの場合、特性インピーダンスが高いので影響は小さい。しかし、50Ωの低インピーダンスRFラインでは、ビアを考慮しなければならない。通常、このようなライン上のビアは避ける。.

(2) 並列伝送線路間のクロストーク

2本のマイクロストリップ線路が近接して平行に走ると、カップリングが発生する。クロストークが発生し、線路の特性インピーダンスが変化する。50Ωや75Ωの回路では注意が必要である。設計者は、方向性結合器や電力測定など、いくつかの機能に結合を利用することができる。ある設計の例（1.97GHz PCS端基地局アンプ、誘電体εr = 3.48）：

• 10 dB方向性結合器の場合：S = 5 mil、l = 920 mil、W = 53 mil

• 20 dB方向性結合器の場合：S = 35 mil、l = 920 mil、W = 62 mil

クロストークを減らすには、以下のルールに従ってください：

A.高周波または高速の平行線間の間隔Sを少なくとも1線幅に保つ。.
B.可能な限り、平行な長さをカットする。.
C.微小な高周波信号を、強い干渉を引き起こす可能性のある電源ラインやロジックラインから遠ざけてください。.

(3) 電磁波解析によるグラウンド

ICのグランド・ピンやその他のグランド・ピンの場合、高周波回路ではピンの近くにグランド・ビアを設ける。考え方：短いグランド経路は誘導インピーダンスのように作用する。グランド・ビアも誘導的に見える。これはフィルター機能に影響する。これが、グラウンド・ビアをピンの近くに配置する理由である。誘導負荷を減らすには、低周波基板よりも多くのグラウンド・ビアを使用する。これにより、グランド電流容量が増加し、全ポイントを 0 V 付近に保つことができる。.

(4) 電源フィルター

TTLやCMOSの場合、設計者はロジックノイズを減らすために電源ピンの近くにバイパスコンデンサを追加する。高周波回路やマイクロ波回路では、これでは不十分である。高周波信号は電源に高周波干渉を起こす。直列インダクタとコンデンサを使用する。インダクタは使用周波数で選ぶ。例：1 MHzを超えるノイズをC = 0.1 μFでフィルタリングする場合、L = 1 μHを選ぶ。コレクタの開回路信号ピンにインダクタンスを追加する場合は、注意してください。インダクタンスはマッチング・インダクタンスと同じ働きをします。.

(5）シールド

小さな信号や高周波信号を保護するためにシールドを使用します。これにより、強い信号の干渉が減少し、EMIが減少します。いくつかのガイドラインがあります：

A.低周波デジタル/アナログ(<30MHz)小信号設計では、デジタルとアナログのグランドを分割し、小信号ゾーンにグランドプレーンを流し込む。グランドプレーンとトレース間の距離はトレース幅より大きくとってください。.

B.高周波デジタル/アナログの小信号設計では、シールド缶やスティッチド・グラウンド・ビアを追加して領域を分離する。.

C.大電力高周波回路の場合、高周波部分を別の機能モジュールとし、金属シールドボックスを追加して放射を下げる。例えば、155M、622M、2Gb/sの光トランシーバー・モジュール。.

携帯電話（例：ノキア6110）用の多層プリント基板は、原図のように両面に部品を配置し、内部グランドプールを使用することができる。(図参照は省略）

ハイボードの素材選択例

以下は、私たちが設計し、デバッグしたボードの例である：

これらは例として使ってください。プロジェクトごとに、素材や厚みの選択が必要です。.

高周波PCB材料の要件

設計者は、これらの主要な材料特性をチェックすべきである：

1. 誘電損失（Df、損失正接） は非常に小さくなければならない。損失が小さいということは、信号の減衰が少ないことを意味する。.

2. 低吸水性 が重要である。水分の取り込みが多いと、誘電率と損失が変化する。.

3. 誘電率 (DK) は低く、安定していなければならない。DKが低ければ信号速度が速くなる。DKの安定性はインピーダンスコントロールにも役立つ。.

4. CTEとサーマルマッチ 銅箔とベースは同じでなければなりません。温度変化に伴う大きな不一致は、銅の剥離を引き起こす可能性があります。.

高周波は、PTFE（テフロンとして知られる）のようなフッ素樹脂基板の使用を意味することが多い。.

高周波プリント基板の製造上の注意事項

1. インピーダンスコントロールは厳格だ。. 線幅公差は厳しい。典型的な制御公差～±2%。.

2. 特殊な素材ではPTHの粘着性は低い。. メッキやソルダーレジストの密着性を高めるため、穴や表面のプラズマ表面粗化処理を行う。.

3. はんだ付けの前に基板をやすりで削らないでください。. これは接着性を低下させる。マイクロエッチング液またはその他の粗面化方法のみを使用する。.

4. PTFEボードは、標準的なフライス工具ではしばしばエッジが荒れてしまう。. 特殊なフライス・ビットを使用し、PTFEルーティングの手順に従ってください。.

短い結論

高周波プリント基板には、特殊な材料と慎重な工程管理が必要です。周波数と熱のニーズに合った材料を選ぶ。インピーダンスをコントロールし、グランドビアを密に配置する。シールドと正しいパワーフィルタリングを使用する。PTFEや他のマイクロ波ラミネートのための特別な取り扱い手順に従ってください。これらの手順は、高周波回路の性能と歩留まりを向上させます。.