低Dk PCB材料ガイド
PCB材料のオプションや層構造について学ぶ時間を取ったなら、市場に出回っている様々な材料を見たことがあるでしょう。材料会社は、電子業界のさまざまなアプリケーションをターゲットに、異なるDk値、Tg値、織りスタイル、CTI値、および機械的特性を持つ積層材を生産しています。
低損失特性で多くの注目を集める材料のセットがあります：低Dk PCB材料。これらの材料は、低損失材料オプションとして高速PCB設計によく推奨されます。しかし、すべてのシステムがこれらの材料を必要とするわけではなく、PTFEベースの低Dk材料の信頼性がはるかに望ましい他のシステムもあります。これらの材料の使用についてもっと学び、ボードに対してより賢い材料選択をする方法を読み進めてください。
標準的な低Dk PCB材料オプション
一般的に、PCBスタックアップで使用できる低Dk材料には4つの広いクラスがあります：
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高速PCB設計
高速設計の課題に対処するための簡単なソリューション
これらの材料は、標準のFR4グレードの材料（Dkが約4.2から約4.8の範囲）よりも低い損失正接を持つ傾向があります。これは、高速PCBでの使用がしばしば推奨される理由の一つですが、この推奨はしばしば正しい文脈なしで提供されます。ここでは、低Dk材料を使用する典型的なタイミングについて後で議論します。とりあえず、これらの材料オプションを見てみましょう：
低損失FR4
これらの材料は、主要な材料特性や構造（ガラス繊維/樹脂含有量、Tg値、機械的特性）において、他のFR4ラミネートとほぼ同等のエンジニアリング用エポキシ樹脂複合材料です。これらの材料の最も人気のあるベンダーにはIsolaとITEQがありますが、同等のラミネートを生産する他のベンダーも存在します。これらの材料は、他のFR4グレードのラミネートが使用されるのと同じように、PCBスタックアップに使用されます。材料はプリプレグとコアのオプションで利用可能であり、主要なハイブリッド構造に関する問題は考慮する必要がありません。
- Dk値: ~3.7
- 損失正接: 0.005-0.01
- Tg値: 低い(~130 °C)および高い(~180 °C)オプションが利用可能
- 厚さの値: 最低2ミル
- 銅のオプション: 通常はEDまたはRA銅
これらのラミネートにおけるガラス織りスタイルは、開放的な（106）織りから非常に閉じた（2116）織り、機械的に広げたガラスに至るまで大きく異なることがあります。高速アプリケーションでは、これらのラミネートは望ましいものであり、ほとんどの高速プロトコル（DDR3+、PCIe、ギガビットイーサネット、MIPI規格など）で使用できます。
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PTFEラミネート
すべての設計者にとって馴染み深い典型的な低Dkラミネート材料はPTFEです。これらの材料は、PTFEと硬化剤をセラミックフィラーと混合して、特定の値にダイエレクトリック定数、損失正接、およびTgをエンジニアリングします。これらの材料はまた、低Dkアプリケーションで使用するために非常に高いDk値を持つように設計されています（それでもFR4よりも全体的な損失は低い）この記事で述べたように。
- Dk値： 3から10で、分散が低い
- 損失正接： 0.0013-0.004で、分散が低い
- Tg値： 非常に高い（約280°C）が、材料の組成によって異なる
- 厚さの値： 5ミル以下のオプションもある
- 銅のオプション： ED、RA、処理された、または低プロファイルの銅
これらの材料の最もよく引用される用途は、GHz範囲まで運用されるRFシステムにあります。ただし、すべてのRFボードにRogersを使用する必要はありません。5GHz以下（WiFi周波数範囲）では、FR4ボードの誘電体および銅の損失は非常に小さく、ボードが非常に大きくならない限り意味がありません。
このタイプの結果は、Rogersの誘電体損失データ（このブログで複数の例を引用しています）で明確に見ることができます。また、シミュレーション結果や、銅の粗さに関するブログで示す分析結果からも非常に明確に見ることができます。
低Dkを提供するPTFEベースのPCB材料の中には、ガラス繊維の織り込み補強がない非補強ラミネートとして利用可能なものもあります。例えば、Rogers 3003は非常に低い損失角のラミネートで、非常に滑らかな銅を持ち、ガラス補強なしで利用可能です。これにより繊維織り効果は排除されますが、ラミネートが薄い場合には材料の取り扱いが難しくなります。
液晶ポリマー
この低Dk、低損失材料は、超HDIライン幅/間隔範囲で動作する高度なフレックスPCBで最もよく知られています。これらの材料は、高層回路を形成するために変更されたポリイミドと共に使用することができ、しばしばスマートフォンで使用されます。他の応用分野には、コネクタの排除を必要とする高信頼性システム（航空宇宙システムなどのデバイス故障を防ぐため）が含まれます。
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- Dk値: ~3.1
- 損失正接: ~0.002
- Tg値: 高い（約250 °C）
- 厚さの値: 幅広い範囲
- 銅オプション: 低プロファイル/ED、通常は低銅重量
この材料クラスについてもっと知るには、Happy Holdenによるこの記事を読んでください。
ポリイミドと接着フィルム
これら2つの材料セットは、フレックスまたはリジッドフレックスアセンブリで使用されます。ポリイミドは、フレックスおよびリジッドフレックス層スタックの基板として使用される標準的な材料セットです。これらの材料の主な物性には以下が含まれます：
- Dk値：2.8～3.5
- 損失正接：0.003～0.01
- Tg値：非常に高い（>300 °C）
- 厚さの値：幅広い範囲
- 銅のオプション：RA
基本的なポリイミド材料は、ほとんどのFR4積層板よりもわずかに低いDk値を提供します。ポリイミドの典型的なDk値は約3.4です。ポリイミドには多くの種類と製品名があり、その材料特性はフィルムの組成によって異なります。GHz範囲で動作する低Dk/低損失ポリイミドの報告があることに注意してください。以下の論文は、そのような材料の一例です。
ボンディングフィルムは、銅シグナル層の上に低Dk領域を提供するために、フレックス/リジッドフレックスPCBスタックアップで使用できる材料の一つです。これらのフィルムは非常に薄いカバーレイ接着層であり、フレックス/リジッドフレックスPCBスタックアップのカバーレイに接着するために使用されます。これらのフィルムは非常に低いDk値（3未満）と非常に低い損失正接を持つことができますが、低損失カバーレイ接着剤としてフレックススタックアップでのみ有用です。この材料をスタックアップに組み込むことができる限り、他のアプリケーションでもこの材料を利用することができます。典型的な材料の厚さは約1ミルであり、高層数のボードでのみ有用になります。
- Dk値: 約2.5
- 損失正接: 約0.002
- Tg値: 非常に高い（約300°C）が材料の組成によって異なる
- 厚さの値: 約1ミル
- 銅のオプション: 該当なし
低Dk PCB材料を使用すべき理由と使用すべきでない理由についてもっと知りたい場合は、以下のビデオをご覧ください。
Layer Stackup Design
Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.
超低Dk材料（Dk = 2まで低い）
RFの世界を見渡すと、Dk = 3未満、非常に低い剛性回路基板材料を見つけることができます。これらの材料は、現在非常に薄い層（例えば2ミル以下）で利用できないため、高度なHDI設計でよく使用されません。上記のポリイミドのセクションでこれらの材料に触れましたが、ポリイミドは薄くて柔軟な材料であり、これらのアプリケーションでビルドアップフィルムとして使用されていますが、Dk = 3よりもかなり低くなることはありません。
その代わり、Dk = 2まで低くなる材料を見つけるためには、セラミック強化PTFEを見る必要があります。これらの材料の2つのソリューションプロバイダーは、AGCマルチマテリアル（NelcoおよびTaconicを含む）とロジャースコーポレーションです。
例として、以下に示されているロジャースRT/Duroid 5880LZのデータをご覧ください。このラミネートは非常に低いDkおよびDf値を持っており、非常に高い周波数/帯域幅で動作するRFおよびデジタルシステムで非常に望ましいです。利用可能なラミネートの厚さ（以下で議論される）のため、この材料の理想的なアプリケーションは、必要なトレース幅のために依然としてRF領域にあります。
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Reduce manual routing time for even the most complex projects.
残念ながら、デジタルシステムの設計者にとって、このロジャース材料は10ミル以下の厚さの積層体で利用できません。Dk = 2の10ミル積層体では、50オームのマイクロストリップラインは幅31ミルになります！10ミルのトレースからプアスペースまでのシングルエンド50オームのコプレーナマイクロストリップでも、幅は27ミルになります。明らかに、これは、より低いDk値を要求する先進的なデジタルPCBや基板では不可能であり、細ピッチのボールアウトにルーティングすることは決してできません。
超高速インターフェース（例えば、224G PAM-4）を使用するデジタルシステムの設計者は、Dk値が2と低い剛性デジタル材料を見つけたいと考えていますが、積層材料の世界はまだ追いつく必要があります。デジタルPCBやパッケージングの設計者は、Dkが2と非常に低い非常に薄い剛性材料を持つことを望んでいます。なぜなら、それはHDIシステムでの信号整合性を大いに助けるからです。私は、この種の材料に取り組んでいるスタートアップを知っており、最終的には大手材料プレイヤーもこの流れに従うと期待しています。
なぜ低Dk PCB材料に焦点を当てるのか？
多くの高速PCB設計ガイドラインが「低Dk積層材を使用する」と述べている場合、通常はPTFE積層材を推奨します。この推奨には2つの理由があると私は見つけましたが、どちらも非論理的です：
- 低Dkが低損失に等しいという誤った仮定がある
- 低Dkは信号伝播が速くなると等価され、これがインピーダンスのマッチングを行わないか、グラウンドプレーンを使用しない言い訳として使われる
ポイント＃1の仮定は単に間違っています。電磁波が経験する損失は、損失正接ではなく、誘電率の虚数部分によって完全に決定されます。損失正接は、波の速度と波の損失を比較する単なる総合的な指標であり、伝送線の分布回路要素値に関わる数学的計算をいくつか簡略化します。これは、与えられた量の誘電体損失に対して、低Dk材料は高Dk材料よりも高い損失正接を持つことを意味します。
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これは物理学者が光学クラスの最初の日に学ぶことです。何らかの理由で、マイクロ波エンジニアはそのメモを受け取っていませんでした。
ポイント＃2での仮定も、高速PCB設計においては無意味なガイドラインです。高速PCBを設計している場合、伝送線の臨界長さを下回るようにしようとすると、トレースの長さを計算するのにはるかに多くの時間を費やすことになります。また、「臨界長さ」は私が何度も議論してきたように、明確に定義されていません。したがって、低Dk材料または高Dk材料を使用して設計しているかどうかにかかわらず、インターフェースに必要なインピーダンスに従って設計するべきです。
目標インピーダンスに達する幅の正確な見積もりを得るのも非常に簡単です。Altium Designerのレイヤースタックマネージャーに加えて、このブログには50オームの目標インピーダンス付近で非常に正確な見積もりを提供できる複数の計算アプリケーションを投稿しています。
どのアプリケーションが低Dk材料を必要とするか？
上記で高速設計に関するガイドラインについて書いたことにもかかわらず、低Dk材料が必要なアプリケーションがあります。これには、高速PCB設計でも、以下のようなアプリケーションが一般的に低Dk材料を使用します。
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Layer Stackup Design
Reduce noise and improve signal timing, even on the most complex boards.
これらのアプリケーションで一般的に使用される低Dk材料は、低損失角と一致するために選ばれることがあります。他のボード、例えば高信頼性のパワーエレクトロニクスは、PTFEやポリイミドで作られるかもしれませんが、これらの材料が標準のFR4ラミネートよりも低いDk値を持っているわけではありません。
上記の表の最後のポイントは、高速システムや非常に高周波システムにおいておそらく最も重要です。これらのシステムの両方では、目標インピーダンスに達し、必要な波長（RFシステムで）で動作するために、小さな特徴サイズが必要になります。これは、より高い層数で動作し、より高い周波数で使用できるようになることを意味しますが、より精密でない製造プロセスを使用できるようになります。これは、より高度な製品が超HDI範囲にさらに進むにつれて、これらの材料の大きな利点の一つと言えるでしょう。
PCBスタックアップ用の材料を選択する準備ができたら、低Dkの標準構造を含む、Altium Designer®の完全な製品設計ツールセットを使用してください。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使えば、プロジェクトを共有し、協力することが簡単になります。Altium Designerの月次機能更新を見に来てください。
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