mmWaveデバイス用RF PCB材料の比較

デザイナーが材料について話し始めるとき、彼らはおそらくFR4ラミネートをデフォルトと考えるでしょう。実際には、構造が比較的似ている多くのFR4材料があり、材料特性の範囲もさまざまです。FR4上の設計は、低GHz範囲やmmWave周波数で遭遇するものとはかなり異なります。では、高周波で具体的に何が変わり、これらの材料を異なるものにするのは何でしょうか？

特定のラミネートがRF PCB材料としてどのように役立つかを見るためには、以下のガイドをご覧ください。人気のあるベンダーからの例をいくつか紹介し、これらをPCBスタックアップでどのように使用できるかをお見せします。

RF PCB材料が必要な時はいつですか？

これは公正な質問であり、システム分析のいくつかの重要なタスクに関連しています。デザイナーは、代替PCB基板材料を使用すべきかを判断する際に、いくつかの異なる考慮事項を検討すべきです。RF PCB基板材料を選択する際に検討するかもしれないいくつかの次元の短いリストがこちらです。

• 損失正接：これは、PCBデザイナーが材料オプションを比較し始める最初の主要な領域です。
• 誘電率： これは時々誤解されがちで、皆が低Dk積層材料を選ぶ傾向にありますが、高Dk積層材料も低損失角やその他の利点を持つことがあります。
• 熱特性： 複数の熱特性がありますが、最も重要なのはおそらくガラス転移温度とCTEです。
• 製造時の加工性： 設計者がこれを製造業者に任せるのは自己責任です。材料の入手可能性、基板の加工能力、材料の入手可能性について製造業者に問い合わせるのが最善です。
• 厚さ： 好きな厚さを選べるわけではありません。製造業者の好ましいスタックアップについて確認する必要があります。どの層の厚さをサポートできるかを知っていれば、通常は製造業者の仕様に十分近い設計ができます。
• 分散： mmWaveアプリケーションでは最も重要でないため、このリストの最後に置きました。mmWaveデバイスの帯域幅が小さいため、分散は無視できるかもしれませんが、可能であればこの点についても確認するべきです。

残念ながら、多くのエンジニアリングの問題と同様に、すべての領域で同時に性能を発揮する完璧な答えや完璧な材料は存在しません。しかし、高信頼性RF製品においては、重要な熱特性を損なうことなく特定の周波数帯をサポートするように設計された、いくつかの一般的なRF PCB基板材料があります。

よく知られているPTFE RF PCB材料のベンダー

現在のRFおよびmmWaveデバイスの標準材料はPTFEベースの材料です。RogersはおそらくPTFEベースのRF PCB材料の最も有名な製造業者であり、同社は高周波PCB積層材料の様々な種類を製造しています。これらのいくつかは、KaバンドおよびWバンド（カーレーダーおよび将来の5Gバンド）で使用するために特化されています。RF製品のPCBリファレンスデザインをダウンロードしたことがあるなら、その例示レイアウトはおそらくRogersを使用して構築されていたでしょう。

もう一つの有名なベンダーはIsolaで、Wバンドまでのさまざまな周波数を対象としたRF PCB材料のオプションを提供しています。RF PCB材料に加えて、標準のFR4グレードの積層材も幅広く提供しています。私がよく使用する積層材の一つは370HRで、これを使用して複数のネットワーク製品やカスタムIoTプラットフォームを構築しました。RF PCBのレイアウトとルーティングにおいてWifi周波数で完璧に機能し、ほとんどのデジタルアプリケーションにも適しています。

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以下の表には、PTFE RF PCB材料の例と各材料の性能が示されています。X-Kバンドには、基準として低Tg FR4の一般的な値も含まれていることに注意してください。

RF PCB設計におけるすべての可能な基板オプションを示すことはできませんが、いくつかの理由からこれらに焦点を当てました。損失正接値は、典型的なFR4材料と比較して予想通り（約10分の1低い）であり、これらの材料は典型的なFR4積層材と比較して高い分解温度を持っています。IPCスラッシュシートで特定された主な特性のいくつかであり、製造業者は望ましい積層材と互換性のある代替PCB材料を提案するかもしれません。

上記の表のオプションのいずれかを使用するか、別の材料プラットフォームを使用するかにかかわらず、データシートを読む際には注意してください。材料ベンダーは、リストされた動作条件内で引用した値を検証できるはずです。ロジャースコーポレーションのジョン・クーンロッドから、基板用の誘電体材料やテスト方法についてさらに多くのことを学ぶことができます。

PTFEおよびその他の材料の使用

設計上の決定ごとにトレードオフがあり、PTFEベースの材料はFR4と比較していくつかの基本的な欠点があります：

• 高CTEであるため、熱膨張が銅要素により多くのストレスを与える
• PTFEは他の材料に容易に接着しないため、ボンドプライが使用される
• PTFEは柔らかい物質であり、容易に歪むことがある

次に、コストがあります。PTFEラミネートはその人気にもかかわらず特殊材料であるため、RFデバイスは通常、レイヤースタック全体にPTFEを使用して構築されません。一つのオプションは、PTFEラミネートを表面層に配置し、高周波信号をプレーン層の上のPTFEラミネート上のみにルーティングするハイブリッドスタックアップを使用することです。6層RFボードの例のスタックアップ表は以下に示されています。

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新しい革新的な材料に注目

材料会社は、低損失、低分散の革新的な解決策を開発し続けるでしょう。最新の実験材料の中には、ファイバーウィーブ効果を対象とし、これをより滑らかな材料で解決しようとするものがあります。適切なPCBレイヤースタックアップツールを使用すれば、特定の材料値に制限されることはなく、製造業者からのカスタム材料データをスタックアップ設計に入力できます。

高周波のレイアウトとルーティングをサポートする適切なRF PCB材料を選択したら、Altium Designerを使用して高品質のスタックアップを作成できます。Altium Designerの全ユーザーは、EDB Exporter拡張機能を使用して、設計をAnsysフィールドソルバーにインポートし、高度な信号整合性シミュレーションを実行できます。

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用すると、プロジェクトの共有やコラボレーションが簡単になります。Altium DesignerをAltium 365で使用して行えることは、これまでに述べたことのほんの一部に過ぎません。製品ページでより詳細な機能説明を確認するか、オンデマンドウェビナーのいずれかをチェックしてください。