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    高周波プリント基板の素材の選択についての最善手法

    May 18, 2017

    Wave on oscilloscope

    皆さんは回路と高周波基板の仲人になる必要があります

     

    私は最近、お見合いパーティーに行ってみたのですが失敗でした。パーティーは、私の自宅近くの素敵なレストランで行われました。私は、少し目立つ格好をしていい印象を与えようと思い、素敵なベロアのシャツを着ていくことに決めました。でも、ベロアは私が思っていたほど高級感はなく、相手の電話番号を1つもゲットできずに家に帰ってきてしまいました。夜になって気が付いたのは、「やっぱり素材は重要だなあ、プリント基板設計も同じようなものだ」ということです。シャツの生地がパーティーでの成功に影響するのと同様に、プリント基板の素材も高周波回路のシグナルインテグリティーに影響を与える可能性があります。基板の減衰を最小限に抑えるには、適切なグラスファイバー、樹脂、銅箔を選択する必要があります。最適な組み合わせを選択するのに役立つさまざまな最善手法があります。ただ、その際には価格その他の点で注意すべき点がいくつかあります。

     

     

    なぜ素材が重要なのか?

     

    適切なプリント基板の素材を使用することで、回路での混信を避けることができます。絶縁体の品質が低かったり銅箔が最適でないと、想定を超える影響が発生する可能性もあります。

     

    では、正確にはどのようにして絶縁体がシステムに影響を及ぼすのでしょうか? すべての絶縁体は、分極した分子から構成されています。これらの分子は、信号により発生する磁場に反応して振動します。周波数が高くなるほど振動が大きくなり、エネルギーが熱として失われます。低損失の絶縁体を使用すると、このエネルギー損失を小さくできるのですが、それについては後で詳しく説明します。

     

    損失のもう一つの大きな原因は、銅の導体そのものにあります。大学で「表皮深さ」について何か学習した記憶がある方もいるでしょう。そうです。電子が常に導体の中心を流れるわけではないことを思い出してください。周波数が高くなるにつれ、電流が流れる場所は最大表皮深さまでの部分に限られてしまいます。銅の導体の表面がニッケルで仕上げられているとすると、大部分の電流はこのニッケル層を流れることになります。こうなると損失が発生してしまうのです。また、導体全体が銅で作られていたとしても、ミクロの目で見ると銅の輪郭が一様でない場合があります。たとえば銅に微細な隆起部があった場合、電流は隆起部を登ったり降りたりすることになり、抵抗が増大して損失が大きくなります

     

    基板の絶縁体と導体が、シグナルインテグリティーの大きな不整合の原因となる場合もあります。では、このような変数を抑えるにはどうしたら良いでしょうか?

     

    RF electronic circuit
    皆さんは基板のことを忘れてしまう場合があるかもしれませんが、基板は重要です

     

    選択できる要素は何か?

     

    損失を低減するためにコントロールできる主な変数は2つあります。基層と金属箔です。

     

    • 基層 - プリント基板の基層を構成する素材としては、エポキシ樹脂、グラスファイバー織物、セラミック板などさまざまなものが考えられます。高周波回路に望ましいのは、最も誘電率(Dk)が小さい基層です。
    • 金属箔 - 金属箔 - 銅箔についてすでにご存じだと思いますが、いくつかの金属箔の選択肢があることはご存じないかも知れません。当然ながら、望ましいのは抵抗値が最も小さい選択肢です。

     

    最善手法

     

    高周波アプリケーションに適する基層と金属箔の選択に役立つ、いくつかの最善手法があります。

     

    • 誘電率を一致させること - デートでは個人の性格がマッチする必要がありますが、プリント基板ではDkがマッチする必要があります。プリント基板の基層が樹脂と織物素材で作られている場合は、両者の素材のDkが一致しない可能性があります。基層内でDkが均一でないと問題が生じます。納品されるすべての基層のDkができる限り近い値になるよう、メーカーに確認してください。
    • 熱膨張係数(CTE)を一致させること - 基層には温度に関連するいくつかの特性がありますが、ここではCTEについてのみ説明します。ダブルデートをする場合、あなたの友人の相性があなたの相性にも影響を与えるでしょう。同様に、基層の成分のCTEはDkに影響を与える可能性があります。基層の成分のCTEが異なる場合、製造中や使用中に異なる率で膨張する可能性があります。製造中にこの現象が起これば欠陥の原因となる恐れがあり、使用中にこの現象が起これば、基層が物理的に変形してDkが均一でなくなってしまう可能性があります。恋愛であったら関係の破綻ということになってしまいます。
    • 密に織られた基層 - 恋愛相手とはうまくかみ合いたいものです。基層のうちの織られた部分も、密にかみ合っている必要があります。基層の織りが密でないと、Dkが一致せず振動で壊れてしまう可能性があります。
    • FR4を使用しないこと - 私は、お見合いパーティーにベロアを着て行くべきでないことは明らかだったのに、着て行ってしまいました。基板の場合も同様で、損失の小さい基層を使用すべきであることは明らかなのに、 高周波回路にFR4を使用してしまう人がいます。FR4は高周波アプリケーションに適する素材ではありませんので、何か他の素材を使用すべきです。
    • 滑らかな金属箔を使用すること - 外観が美しく現代的なのは表面的なことでしかありません。滑らかな銅箔を使用する意味は、きわめて高い周波数での抵抗損失を小さくすることにあります。
    • 導電性の高い金属箔を使用すること - 表皮深さを小さくするには、銅の仕上げに低品質な導体を使用しないことです。電流が低品質な導体を流れてしまい、低品質な回路になってしまいます。

     

    オシロスコープの波形

    矩形波が正弦波になってしまうようでは困ります

     

    その他の注意事項

     

    かつてToby Keithの歌でこんなセリフがありました。「手間の掛かる女は、手間の掛からない男なんて嫌いなのさ」。完全なプリント基板が欲しいなら、まず要件に適合しなければなりません。高性能な高周波基板は、女性と一緒の素敵なディナーよりもコストが掛かるのです。また、高性能な高周波基板を作るのは、感謝祭の家族の集まりに偽のガールフレンドを連れてくるより難しいのです(これについてはツッコまないでくださいね)。

     

     

    私は、お見合いパーティーに、合わないシャツを着て行って魅力的な女性たちを当惑させてしまいました。皆さんもこんな失敗があったかも知れませんが、がんばりましょうね。さて、基板の世界では皆さんが主人公であり、金属箔を決めるのも皆さんです。この記事に書いた最善手法を守っていただけば信号損失でがっかりする心配もありません。コストと製造時の欠陥についての注意点も良く憶えておいてください。

     

    プリント基板の世界は、恋愛の世界よりさらに分かりにくい面があります。完全にマッチするプリント基板設計ソフトウェアがあれば、難しい基板の設計に役立ちます。CircuitStudioは、基板の素材を選択できないかも知れませんが基板の設計には役立ちます。CircuitStudioのさまざまな優れた機能を把握していただけば、そのありがたさを理解していただけると思います。

     

    基板についてのアドバイスが必要でしたら(えっ? ファッションのアドバイスも?)、Altiumのエキスパートにお問い合わせください。

     

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