高周波PCB設計のための銅箔の選び方

PCB材料業界は、RFアプリケーションを持つ製品に可能な限り低い信号損失を提供する材料の開発に多大な時間を費やしてきました。高速および高周波設計では、損失は信号伝播距離を制限し、信号を歪ませ、TDR測定で見られるインピーダンスの偏差を生じさせます。私たちがプリント基板を設計し、高周波で動作する回路を開発する際、作成するすべての設計で可能な限り滑らかな銅を選択したくなるかもしれません。

確かに銅の粗さは追加のインピーダンス偏差と損失を生じさせるものの、銅箔は実際にどれほど滑らかである必要があるのでしょうか？損失の一部を克服し、PCB内で必要な配線を完了するための他の簡単な方法はありますか？この記事では、PCB内の銅箔の損失と他の種類の損失とのバランス、および粗さを克服するために一般的に使用される戦略について見ていきます。

PCBスタックアップ用の銅箔の種類

ボードにどの銅箔を選ぶべきかを見る前に、PCBスタックアップに含めることができる実際に利用可能な銅箔について知っておくことが重要です。銅箔は、常に選んで各種のラミネート材料と組み合わせることができるわけではありません。一部のラミネートメーカーは、異なるタイプの銅箔をその材料セットと組み合わせる複数のオプションを提供しますが、すべてのラミネートメーカーや材料でこれが当てはまるわけではありません。別々に材料を調達してラミネーションプロセスを経ることができない限り、ラミネートメーカーやディストリビューターから入手できる材料セットの中で作業する必要があります。

この点を念頭に置いて、PCB材料で見つかる異なるタイプの銅箔をここに示します：

異なる粗さの範囲は、PCBレイヤースタックアップでどのタイプの銅を受け入れるかを決定する要因となる場合があるため、必要なボードの機能を検討し、利用可能な銅と誘電体のオプションと比較することが重要です。高周波PCB向けに市販されている積層材は、低損失誘電体と滑らかな銅を同じパッケージで得られるように、低プロファイルの銅オプションを持っていることがわかります。しかし、中程度（低GHz）の周波数で動作する一部のデバイスは、標準のFR4グレードのエポキシガラス繊維材料で十分に機能し、銅の種類が性能に顕著な違いを生じさせることはありません。パフォーマンス目標を達成する必要がある場合は、積層材のデータシートで呼び出されている銅の種類を理解しておくことが重要です。

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高周波電流と銅箔

高周波数では、スキン効果が伝送線のインピーダンスを変更し、スキン効果によるインピーダンスの変化の大きさは銅の粗さに依存します。高周波数と銅トレースの相互作用は、主に三つのメカニズムを通じて損失を引き起こします：

• 中間周波数でのインピーダンスは大きくなり、抵抗損失も大きくなります
• 粗い銅は電場の線をより小さな体積に限定し、これが電界のフラックスを増加させ、結果として誘電体の損失を増加させます
• 増加したインピーダンスはわずかなインピーダンスの不連続を生じさせ、マッチングされていない場合は反射（S11）を増加させます

私たちはしばしばスキン効果をフロントエンドで見ることはありませんが、早期に考慮されない場合、インピーダンスの偏差と損失を引き起こすことに注意することが重要です。粗さが目立ち始める典型的な周波数範囲は10 GHz以上です。

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損失予算

高周波PCBで使用する銅の種類を選択する際の最初の重要な点は、最高周波数または最大帯域幅のインターコネクトに対する損失予算を見ることです。例えば、RF PCBでは、RF信号を送受信する必要があるコンポーネントには、送信機の出力電力と受信機の感度（または類似の名称）の2つの仕様があり、どちらもmWまたはdBmで説明されます。おおよその基板サイズまたはリンク長を知っていれば、RFラインの一つに沿った損失予算のかなり良い見積もりが得られます：

損失予算（dB）= [送信電力（dBm）] - [受信感度（dBm）]

これは受け入れ可能な総損失であり、受信感度値よりも数dBの余裕を持たせるのが良いでしょう。この値をインターコネクトの長さで割ると、ラインで受け入れ可能な長さあたりの損失を知ることができます。

• 設計における粗さの損失を見積もる方法を確認します

高速では、信号が特定の周波数でパワーと損失を集中させていないため、より複雑です。高周波で高損失が発生することがありますが、受信機の帯域幅範囲内で低損失であれば、受信機で信号を回復できます。したがって、入力インピーダンスの場合と同様に、デジタル信号の帯域幅限界で損失を計算して銅を選択することが良い考えです。これには以下のいずれかが含まれます：

• データレートに対応するナイキスト周波数
• 受信コンポーネントのS11スペクトルで-10 dBの値に基づく周波数
• 立ち上がり時間の逆数に比例する値（例えば、膝周波数、または0.35/(立ち上がり時間)、またはGibbs現象に基づくより保守的な推定である0.5/(立ち上がり時間)）

高速デジタルでは、私たちは1番目の点に焦点を当て、RF設計では2番目の点を見ます。3番目の点は、プロの設計者によって設計目標として使用されるべきではありません。

重要な周波数（RFボードの場合はキャリア、デジタルボードの場合は帯域幅の限界）を知ったら、損失の見積もりと銅の選択に移ることができます。

この銅の粗さと損失の問題は、ビットストリームから論理状態を読み取るために必要なチャネル帯域幅に依存するため、まず様々な銅の粗さと誘電体損失の値に対してSパラメータ測定を使用してチャネルをシミュレートする方がはるかに良いです。これにより、銅の粗さに受け入れられる目標の粗さ値を得ることができ、チャネルに粗さが多すぎるかどうかを判断できます。

これは、次のことを意味します：

1. シグナリング仕様を見て、帯域幅の限界で達成する必要があるSIメトリクスを決定します
2. データレートを見て、ルーティングチャネルに必要な最小帯域幅を決定します
3. 帯域幅の限界でSIターゲット（通常はS21損失）に達するまで、いくつかの現実的な粗さの値を反復します

SimbeorやAnsys SIwaveのようなプラットフォームを使用して、これらのSパラメータ測定を収集でき、過去にこれらの測定のいくつかの例を示しました。

例として、Rogers 3003上の例示的なルーティングチャネルのシミュレーション結果をSimbeorで計算したものを以下に示します。ここから、S11スペクトラムにおける-10 dBチャネル帯域幅の限界が明確に見え、S21スペクトラムで対応する損失が見えます。銅の粗さを調整し、線幅を補償することで、さらにチャネルを最適化し、許容可能なインピーダンスマッチングを確保しつつ、損失を許容可能な限界まで減少させることができます。

積層材料と銅を選択するプロセス

銅と誘電体材料をマッチングする際には、動作目標を達成するために従うことができるシンプルなプロセスがあります。

1. 粗さに敏感なインターコネクトをどこにルーティングしたいか計画してください（表面層か内部層か）。これには、主要なコンポーネントと少しのフロアプランニングが必要になります
2. 動作周波数で受け入れることができる損失角を決定します
3. 2番で満足できる材料セットを見つけた後、利用可能な銅のオプションを見て、設計に適した銅の粗さと表面めっきを選択します
4. 3番で選択した銅のオプションが必要な重さで利用可能であることを確認してください。重い銅はスキン効果の損失が少なくなります

粗さが重要になる動作周波数では、誘電体が依然として損失を支配するため、ステップ#2を最初に挙げました。これは、PCBスタックアップ（層数/厚さなど）の他の側面を最初に考慮すべきであり、その後に利用可能な積層材料に基づいてめっきと銅の選択ステップが続くべきです。

製造業者に対して銅選択とスタックアップ設計を完全に指定するために、Altium Designer^®の設計ツールを使用してください。レイヤースタックマネージャー内でインピーダンスプロファイルとルーティング要件を決定することができるだけでなく、製造中のPCBスタックアップで使用する特定の材料を指定することもできます。PCBの設計が完了し、設計を共同作業者や製造業者と共有する準備ができたら、Altium 365^™プラットフォームを通じて完成した設計を共有できます。高度な電子機器を設計し生産するために必要なものは、すべて一つのソフトウェアパッケージに含まれています。

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