ハイブリッドPCBスタックアップの設計方法

上に示されたTexas Instrumentsのレーダー評価モジュールは、RFルーティングと高出力送信を備えたmmWaveセクションと、複数のICを持つ中速度デジタルセクションを含む設計の一例です。私はTIとは関係ありませんが、このボードを教育ツールとして好む主な理由は、RogersやTaconicのようなPTFEベースの積層材を使用して商業RF製品を構築する方法を示しているからです。PTFE積層材や低Dkガラスクロス積層材のような代替品を使用するときに話すことがあるのは、高価なPTFE材料とボンドプライで全てのスタックアップを構築することではありません。

場合によっては、PTFE積層材または低Dk積層材のみからボードを構築することが理にかなっています。私は、帯域幅のカットオフが約80 GHzである複数の層にわたる長いインターコネクトをサポートする高速バックプレーンでこれを行いました。ボードスペースの15インチを越える2つのコネクタ間でマルチギガシリアルチャネルをルーティングする必要がある場合、受信側で信号を回復できるように損失を可能な限り低くする必要があります。しかし、他の場合では、本当に必要なのは一層に低損失積層材を使用することだけかもしれません。これがハイブリッドPCBスタックアップの本質であり、あなたのボードにとってより良い選択かもしれません。

ハイブリッドPCBスタックアップを使用するタイミング

材料を選択し、スタックアップを計画する際に最初に考えるべき質問は、どのような材料が必要で、何層使用すべきかです。低損失ラミネートが必要であると判断し、必要な層数を決定したと仮定すると、次に考えるべきことは、ハイブリッドスタックアップを使用すべきかどうかです。PCBで低損失ラミネートを使用したハイブリッドスタックアップを検討できるいくつかの広範な状況があります：

• コスト削減：全てをPTFEや低Dk素材で構成することは高価になります。プロトタイプの場合、コスト差は大きくありませんが、大量生産ではそのコスト差が積み重なります。
• RF接続数の低減：高速/RF信号を一層に収めることができれば、特殊な低損失ラミネートでスタックアップ全体を構築する意味はありません。ボードサイズを大きくしてビアの数を減らし、全てを低損失層に収めることを検討するかもしれません。
• mmWave設計：一部のRFシステムは、ISMバンドや6-7 GHz WiFiで動作し、FR4グレードのラミネート上でも、接続が短ければ問題なく動作します。しかし、車載レーダーの周波数やそれ以上になると、接続が非常に短いと実用的でない限り、一般的には低損失ラミネートが必要になります。

以下の画像は、以前の投稿で紹介した6層ハイブリッドスタックアップです。このスタックアップは、レーダーモジュールやmmWave信号の他の特殊用途に適した良い例です。

TRANSLATE: 上記のスタックアップは、mmWave帯域まで広がるデジタルシステムにも適していますが、低損失ラミネート層での分散には注意が必要です。RF材料メーカーは、高GHz周波数まで平坦な分散を持つラミネートシステムを構築しようと努めています。しかし、ある高周波数限界を超えると、再び分散が発生し、デジタル信号の損失と位相歪みを引き起こします。分散のない限界を超える極めて高い周波数で動作する場合は、正確なインピーダンスおよびSパラメータの計算を実行できるように、ラミネートサプライヤーに誘電率データを問い合わせてください。

さらに、一部の製造業者は、2つの内部層でPWRとSIGを隣接させたために、このスタックアップは製造できないと言うかもしれません。ボードが小さい場合は問題ありません。このボードは、スパンがマルチUバックプレーンサイズに達するまで、たわみを経験しません。必要に応じて内部層を銅で均衡させることもできます。

早期に製造業者に相談する

損失要件、回路基板の厚さ、および層数に基づいてハイブリッドスタックアップを組み立てた場合、設計を開始する前にスタックアップを製造業者に送るべきです。これは非常に重要です。なぜなら、製造業者は、ボードがラミネーションサイクルを分解せずに、またはいくつかの材料が他の材料よりも高温と高圧を必要とするため、剥離せずに通過できるかどうかを判断できるからです。ハイブリッドスタックアップで希望する低損失ラミネートを使用するためのアドバイスについて、早期に製造業者に連絡することを恐れないでください。彼らに以下を確実に伝えてください：

• 必要な層数
• 希望する層の厚さ
• キャップ低損失ラミネート材料
• 充填ラミネート材料

必須要件とあってもよい要件を決定しようとしてください。なぜなら、要件のいくつかについては妥協する必要があるかもしれないからです。

ボンドプライのためのスペースを確保する

TRANSLATE: 製造業者は、ボンドプライが追加された後の完成した基板の厚さの変動を予想する上でいくつかの洞察を提供できます。スタックアップを計画する際には、これを考慮することが重要です。通常、ボンドプライ層の誘電率について心配する必要はありませんが、その上をルーティングする必要がある場合は別です。トップレイヤーに低損失ラミネートを設計した場合、ボンドプライはL2とL3の間に配置する必要があるかもしれません。これにより、低損失材料がFR4グレードのラミネートに適合します。この点については、製造業者がさらに情報を提供できます。

予備的なスタックアップを提出する

初期のスタックアップを作成した後でも、製造前にそれを製造業者に送って検査してもらうべきです。時には、ハイブリッドスタックアップで使用したい任意の材料システムや低損失ラミネートを自由に選べないことがあります。使用可能な材料、納期が短い材料、または製造を外注する必要があるかどうかについて、製造業者が発言権を持っています。設計の残りの部分を作成する前にスタックアップをレビューしてもらえれば、製造業者は必要なPCB積層プロセスと互換性のある代替材料システムを推奨することができます。また、全体的な回路基板の厚み要件を満たすために、代替のラミネート厚を推奨することもあります。

材料データシートの読み方

ハイブリッドスタックアップの材料を選択し、ハイブリッドスタックアップの構築により積極的な役割を果たしたい場合は、提案されたスタックアップを作成する前に材料のデータシートを確認してください。CTE値、Tg値、樹脂の流動温度、および硬化温度を一致させることで、完全な互換性を確保してください。製造可能性を確認するために、スタックアップをレビューに送るべきです。

ハイブリッドPCBスタックアップを作成する必要がある場合、Altium Designer®のPCB設計ツールには、スタックアップ構造を指定し、インピーダンスを計算し、スタックアップ情報を製造図面にインポートするために必要なすべてが含まれています。Draftsmanユーティリティを使用すると、ハイブリッドPCBスタックアップを使用して製造および組立図面を迅速に作成し、PDF形式でエクスポートすることができます。デザインが完成し、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用すると、プロジェクトを共有して協力することが簡単になります。

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